专利名称：薄膜及发光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种它的一个面与发光体相邻而用的透明薄膜及
使用了透明薄膜的发光装置。
背景技术：
现有技术例如有专利文献1、 2中所公开的技术。
图14表示使用了普通的有机EL (电致发光)元件的发光装 置的剖面结构和光的传播情况。电极102、发光层103和透明电 极104按此顺序叠层在基板101上，透明电极104上载有透明基 板105。将电压施加在电极102、透明电极104之间，就会在发光 层103的内部的点S发光，该光直接或者在电极102反射后透过 透明电极104，与透明基板105的表面的法线成角度6地入射到 透明基板105的表面上的点P，在该点折射后，射出到空气层106 一侧。 若设透明基板105的折射率为n' 1，则当入射角0大于临界 角夕c二sin-1 (1/n' 1)时就发生全反射。例如，以6c以上的 角度入射到透明基板105的表面上的点Q的光发生全反射，而不 会射出到空气层106 —侧。 图16 (a)和图16 (b)是说明图，说明的是假定透明基板 105是多层结构的情况下上述发光装置的取光效率。在图16 (a) 中，设发光层103的折射率是n' k，空气层106的折射率是n0, 从靠近发光层103 —侧算起，存在于发光层103和空气层106之 间的多个透明层的折射率分别是n' k-1、 n' k-2、"*n' 1,从 发光层103内的点S发出的光的传播方位(与折射面的法线所成 的角度)0' k，在各个折射面的折射角依次是6 ' k-l、 0' k-2 6， 1、 00，则根据斯内尔定律下式成立。
n kxsin0 k=n k-lxsin6 k-l = '"=n 工Xsin
6 ， i=noXsin6>o (式1)
因此，下式成立。
sin0 ' k=sin0ox no/n ， k (式2)
结果，(式2)就是发光层103直接接触空气层106的情况下
的斯内尔定律，(式2)表明与存在于其间的透明层的折射率无
关，满足6"' k^6 c = sin—1 (no / n' k)就发生全反射。
图16 (b)示意地示出了能够从发光层103取出的光的范围。 能够取出的光包含在以发光点S为顶点、以临界角ec的2倍的
角度为顶角、以沿着折射面的法线的Z轴为中心轴的一对圓锥体
107、 107'的内部。假定从点S发出的光全方位地放射强度相等
的光，在临界角以内的入射角下在折射面的透光率是100%,则
从发光层103取光的取出效率t^就与被圓锥体107、 107'切割
的球面108的面积与球面108的表面积之比相等，由下式給出，
" = l—cos0c (式3)
此外，因为临界角以内的透光率不会达到100%,所以，实 际的取出效率？7比l—cos6c小。而且，发光元件的总效率将成
为发光层的发光效率乘以所述取出效率？7后所得到的值。
与上述机理相比，专利文献1中公开的发明是基于以下原理 做出的。即，为抑制光从透明基板出来到大气时在透明基板表面 发生全反射，在有机EL元件中，在基^反界面、内部面或者反射面 形成衍射光栅，并改变光相对于取光面的入射角，从而使光的取 出效率提高。
专利文献2中公开了以下内容。即，为提供光的取出效率较 好的平面发光装置，在有机EL元件中透明基板的表面形成多个透 明突起物，便能够防止光在透明基板与空气的界面发生反射。 专利文献1:日本公开特许公报特开平11 — 283751号公报 专利文献2:日本公开特许公报特开2005 — 276581号公报 一发明要解决的技术问题一
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但上述现有发光装置存在以下问题。 在图14所示的现有的使用了有机EL元件的发光装置中，从 发光层103取出光的取光效率？？最大也不会超过1 一cos0c,发
光层103的折射率决定了 ，取光效率的最大值就决定了 ，但该值 的大小受限。例如，设(式2)中的nO二l. 0， n， k=l. 457,则临 界角(9c二sin-l (nO/n， k) =43.34度，取光效率的最大值l一 cos0c=O. 273左右，很小。当n， k二1.70时，取光效率的最大值
下降到0. 191左右。 专利文献1所公开的技术确实能够将本来应该成为全反射的 光取出来，但也会存在相反的情况，即不能够将不会成为全反射 的光取出。也就是说，在假定没有衍射光栅层时，从发光层内的 点射出的光，有时候就会在透明基板的折射面(射出面)以小于 临界角的角度入射后，透过、折射。而在假定存在衍射光栅且在 那里发生衍射时，相对折射面的入射角会超过临界角，发生全反 射，这种事情有时会发生。因此，专利文文献1中所公开的技术 并不能够保证取光效率提高。而且，在专利文献l所公开的技术 下，所有的光线都位移一个规定量的方位而成为衍射光。含有这 样的衍射光的光，方位不同而产生光强度的强弱分布，规定量的 位移幅度依赖于射出光的波长，所以色彩会由于方位失去平衡。
在专利文献l所公开的发光装置中，从外界(空气层一侧) 入射的光在透明基板的表面有规律地反射，会千扰被从发光层取 出的光(即外来光映入)，所以需要对透明基板的表面进行光学处 理，例如在它的表面加上反射防止膜等。这就导致了产品成本增 加。
另一方面，专利文献2中所公开的发光装置以防止光在折射 面发生反射为目的，该结构对取光效率的改善在10%、20%左右， 很小。
发明内容
本发明正是为解决上述技术问题而研究开发出来的。其目的
8在于提供一种薄膜及发光装置，让临界角以上的对透明基板的入 射光射出，实现取光效率的大幅度提高，同时，防止外来光映入， 抑制方位不同而产生光强度的强弱分布，色彩失去平衡等。 一用以解决技术问题的技术方案一 为解决上述技术问题，本发明的第一种薄膜的结构特征如下 使用时让该薄膜的一个面与发光体相邻接，该薄膜透明。该薄膜 的另一个面假想地被最大内切圆的直径在0. 2/zm以上且1. 5//m 以下的多个微小区域<5分割，且一个该微小区域5与其它多个该 微小区域5相邻且被其它多个该微小区域5包围，所述多个徵小 区域5由以40%以上且98%以下的比率从该多个微小区域5中 选出的多个微小区域Si、和除了该多个微小区域Si以外的多个 微小区域52构成，所述微小区域Si，相对于与所述另一个面平 行的规定的基准面朝着所述另一个面的上方突出，突出高度是d /2，所述微小区域52，相对于所述规定的基准面朝着所述另一 个面的下方凹陷，凹陷深度是d/2，所述规定的基准面位于所述 微小区域51和所述微小区域5 2的在与所迷另 一个面垂直的方向 上的中间位置，所述d在0. 2〃m以上且1.4//m以下。 在这样的结构下，即使从发光体通过薄膜内部入射到薄膜的 另一个面的光以与另一个面的法线所成的角度在临界角以上的角 度入射，设置在另一个面上的由微小区域构成的表面结构也能够 防止发生全反射，将该光的一部分射出到外部，而且，若在另一 个面反射到发光体的光也会借助在发光体内的反射再次入射到薄 膜的另一个面，也不发生全反射，有一部分射出到外部。 本发明中的第二种薄膜的结构特征如下使用时让该薄膜的 一个面与发光体相邻接，该薄膜透明。该薄膜的另一个面假想地 被最大内切圓的直径在0. 2〃m以上且1. 5/zm以下的多个微小区 域(5分割，且一个该微小区域5与其它多个该微小区域3相邻且 被其它该多个微小区域5包围，所述多个微小区域5中的每一个 微小区域5 ，以相对于与所述另一个面平行的规定的基准面而言范围在0以上且d / 2以下的随机高度位于上方或者范围在0以上 且d/2以下的随机深度位于下方，所述规定的基准面，在存在于 与所述另一个面垂直的方向上的最高位置的所述微小区域5和存 在于最低位置的所述微小区域5的中间位置上，所述d在0.2^m 以上且1. 4//m以下。
本发明中的第三种薄膜的结构特征如下使用时让该薄膜的 一个面与发光体相邻接，该薄膜透明。该薄膜的另一个面假想地 被最大内切圓的直径在0. 4 ^m以上且1. 0 mm以下的多个微小区 域5分割，且一个该微小区域(5与其它多个该微小区域(5相邻且 被其它该多个微小区域5包围，所述多个微小区域5由多个徵小 区域5 i和除了该多个微小区域51以外的多个微小区域5 2构成，
所述微小区域Sl和所迷微小区域5 2，使垂直于所述另一个面入 射的光中透过所述微小区域Sl的光和透过所述微小区域《2的
光之间产生180度的相位差。
能够使所迷微小区域5为多角形且该多角形的形状相互完全 相同。 本发明中的第一种发光装置的结构如下该发光装置包括发 光体和设置在该发光体的发光面上的透明保护层。所述保护层的 与所述发光面相邻的面的相反一侧的面，假想地被最大内切圆的 直径在0. 2/im以上且1. 5/zm以下的多个微小区域5分割，且一 个该微小区域5与其它多个该微小区域<5相邻且被其它多个该微 小区域5包围，所迷多个微小区域5由以40%以上且98%以下的 比率从该多个微小区域5中选出的多个微小区域51、和除了该多 个微小区域51以外的多个微小区域52构成，所述微小区域(5 i, 相对于与所述另一个面平行的规定的基准面朝着所述另一个面的 上方突出，突出高度是d/2，所述微小区域5 2，相对于所迷规定 的基准面朝着所述另一个面的下方凹陷，凹陷深度是d/2，所迷 规定的基准面位于所述微小区域51和所述微小区域5 2的在与所 述另一个面垂直的方向上的中间位置，所述发光体发出光镨的中心波长是A的光，所述保护层的折射率是m，所述保护层在所迷 相反一侧的面接触的介质的折射率比是no，riD比m小，入/6(n广no) < d <〃 (ni-no)。 本发明中的第二种发光装置的结构如下该发光装置包括发 光体和设置在该发光体的发光面上的透明保护层。所述保护层的 与所述发光面相邻的面的相反一侧的面，假想地被最大内切圓的 直径在0.2〃m以上且1.5vm以下的多个微小区域5分割，且一 个该微小区域5与其它多个该微小区域5相邻且被其它该多个微 小区域5包围，所述多个微小区域5中的每一个微小区域5 ,以 相对于与所述另一个面平行的规定的基准面而言范围在0以上且 d/2以下的随机高度位于上方或者范围在0以上且d/2以下的 随机深度位于下方，所述规定的基准面，在存在于与所述另一个 面垂直的方向上的最高位置的所述微小区域5和存在于最低位置 的所述微小区域(5的中间位置上，所述发光体发出光谱的中心波 长是A的光，所述保护层的折射率是ni,所述保护层在所述相反 一侧的面接触的介质的折射率比是no， no比ni小，义/6 (m-no) 〈d 〈A/ (m-no)。 本发明中的第三种发光装置的结构如下该发光装置包括发 光体和设置在该发光体的发光面上的透明保护层，所述保护层的 与所述发光面相邻的面的相反一側的面，假想地被最大内切圆的 直径在0. 4//m以上且1. 0//ffl以下的多个微小区域(5分割，且一 个该微小区域5与其它多个该微小区域5相邻且被其它该多个微 小区域(5包围，所述多个微小区域5由多个微小区域5i和除了该 多个微小区域5 i以外的多个徵小区域(5 2构成，所述微小区域51 和所述微小区域(？2，使从所述发光体垂直入射到所述保护层的与 所述发光面相邻的面的光中透过所述微小区域5 i的光和透过所 述微小区域(？2的光之间产生180度的相位差。
能够使所述介质是空气。 能够使所述介质是气凝胶。
ii
当所述发光体的发光部分的折射率是ii2时，能够使m—ni〈 0.1。
-发明的效杲- 如上所述，因为能够重复取出超过临界角的光，所以取光效 率大幅度地改善；由于成为在随机结构下的衍射，所以衍射方位 位失去了规律性，而能够抑制外来光映入、方位不同光的强度就 不同而产生光强度的强弱分布、色彩失去平衡等。
图1是示出第 一 实施方式中有机EL元件的剖面结构和光的传 播情况的图。
2 (a)是第一实施方式中表面结构的一部分的放大图。图2 (b)是更广范围内的图案图。
图3是说明第一实施方式中表面结构的透光率t对入射角的 依赖性的说明图，图3 (a)是说明第一次的透光率对入射角的依 赖性的说明图，图3 (b)是说明第二次的透光率对入射角的依赖 性的说明图。
图4是说明第一实施方式中从表面结构取出的光的量对入射 角的依赖性的说明图，图4 (a)是说明第一次取出的光的量对入 射角的依赖性的说明图，图4 (b)是说明第二次取出的光的量对 入射角的依赖性的说明图。
图5是说明第一实施方式中表面结构的取光效率的说明图。 图6 (a)是说明第二实施方式中表面结构的取光效率的说明 图，图6 (b)是说明第三实施方式中表面结构的取光效率的说明 图。
图7 (a)到图7 (e)是说明到决定出第四实施方式中的表面 结构的图案为止的说明图。
图8(a)是表示第六实施方式中第"表面结构的图，图8(b) 是表示第六实施方式中第二表面结构的图。
图9 (a)、图9 (b)是说明其它实施方式中有机EL元件的剖
12面结构和光的传播情况的说明图。
图IO是表面结构呈方格形状的图案图。
图ll是说明图10所示的表面结构的透光率t对入射角的依 赖性的说明图。
图12 (a)到图12 (c)是说明突起物的随机布置方法的说明图。
图13 (a)到图13 (h)是说明折射面的光场(field oflight) 边界条件的说明图。
图14是说明有机EL元件的剖面结构和光的传播情况的说明
图。
图15 (a)是表示折射率的阶梯状变化情况的图，图15 (b) 是表示折射率的平緩变化情况的图，图15 (c)是表示折射面的 入射角与透光率的关系的图，图15 (d)是表示折射面的图。
图16 (a)是说明多层结构的透明基板的图，图16 (b)是说 明能够取出的光的范围的图。
图17 (a)是在界面处具有周期结构的衍射光栅的发光装置 的剖视图，图17 (b)是表示图17 (a)中的上表面的图。
图18是说明衍射光柵带来的衍射方位的说明图。
图19 (a)是表示在表面包括随机设置的突起的发光装置的 剖视图，图19 (b)是表示图19 (a)中的上表面的图。
图20 (a)是配置有针孔之例的图，图20 (b)是配置有移相 器之例的图。
图21是表示随机地配置有180度移相器的折射面的透光率与
入射角之间的关系的图。
图22是表示具有调整层的发光装置的剖枧图。
图23是表示在与调整层的边界处也设置有表面结构的发光
装置的剖视图。
图24是表示第一实施方式中表面结构的透光率t对入射角的 依赖性的实验说明图。图25是表示随机地配置有180度移相器的折射面的透光率 与入射角之间的关系的实验说明图。
图26是用以测量相对于入射角的透光率的实验装置的结构图。
图27是说明第二实施方式的取光效率的说明图。
图28是说明从第一实施方式的表面结构射出的光对视角的 依赖性的说明图。
图29是说明从第一实施方式的表面结构射出的光对视角的 依赖性的说明图。
图30是说明从方格图案的表面结构射出的光对视角的依赖 性的说明图。
一符号说明一 l —基板，2—电极，3 —发光层，4 —透明电极，5 —透明基板， 6—空气，13 —表面结构，S—发光点。
具体实施例方式
在说明本申请发明的实施方式以前，以专利文献1、专利文 献2等已有例为本，对到做出本申请发明为止的研究历程进行一 下说明。 图15是说明在折射面(透明层表面与空气层的界面)的透光 率的说明图。从折射率为1. 5的透明层107的内部沿着纸面方向 以角度0入射到透明层107的折射面107a，再在空气一侧(折射 率1.0)折射的光的透光率与光的偏振状态有关。通常情况下， . 沿着折射面107a附近的法线分布的折射率分布呈图15 (a)所示 的阶梯形状。P偏振光(电场矢量平行于纸面的振动成分)显示 出曲线108a那样的透光率特性，S偏振光(电场矢量垂直于纸面 的振动成分)显示出曲线108b那样的透光率特性。入射角在临界 角(=41. 8度)以下时，P偏振光和S偏振光所显示的特性有所不 同，但入射角 一超过临界角，P偏振光和S偏振光的透光率就都 成为0。
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另一方面，若假定透明层107的表层部分为多层结构，折射 率分布成为图15 (b)所示那样的楔形形状。P偏振光显示出曲线 108A那样的透光率特性，S偏振光显示出曲线108B那样的透光率 特性。 一超过临界角，P偏振光和S偏振光的透光率就都成为0 这一点没有变化，但在临界角以下的透光率接近100%,近似于 以临界角为界的阶梯函数的形状。图15 (b)示出的是针对以下 结构计算得出的结果，该结构是叠层50层折射率从1.5到1.0 偏差0.01、厚度O. Ol"m的膜得到的，但折射率在厚度方向上的 变化梯度越平緩，P偏振光和S偏振光之差就会消失，结杲就是 透光率相对于入射角的关系曲线就都接近阶梯函数。 为了不发生全反射，就需要在使入射到折射面的光的入射角 小于等于临界角这一方面下工夫。所下的工夫之一是以专利文 献l为例，研究探讨了使用了图17所示的在透明基板205和透明 电极204的界面设置有衍射光栅209的有机EL元件的发光装置。 如图17 (a)所示，电极202、发光层203、透明电极204以 及衍射光柵层209按此顺序叠层在基板201上，在衍射光栅层209 上设置有透明基板205。衍射光栅层209在它与透明基板205之 间在X方向和Y方向上都呈现间距A的凹凸周期结构，凸部的形 状是图17 (b)所示那样的宽度W的正方形，让该凸部呈锯齿状 排列。将电压施加在电极202与透明电极204之间，就会在发光 层203的内部的点S发光，该光直接或者在电极202反射后，透 辻透明电极204，透过衍射光栅层209并在衍射光栅层209发生 衍射。例如，若假定从点S射出的光210a在衍射光栅层209不发 生衍射，而直线传播，则光210a会象光210b那样，以临界角以 上的角度入射到透明基板205的折射面205a并进行全反射，但实 际上光210a在衍射光栅层209发生衍射，所以光210a就象光210c 那样，对折射面205a的入射角变得比临界角小，能够透过该折射 面205a。
参考图18说明由上述衍射光栅带来的衍射方位。考虑的是以角度6从折射率riA的透明层207内部沿着纸面方向入射到透明层
207的折射面207a上的点0，在折射率nB的透明层206 —側衍射
的波长A的光。在折射面207a形成有沿着纸面呈间距为A的衍射
光栅。纸面上描绘出以点0为中心、半径ru的圓211和半径m
的圆212。将入射矢量210i (始点落在圓211的圓周上，以角度
夕指向点0的矢量)在折射面207a上的正投影矢量(从垂线与折
射面207a的交点A指向点0的矢量)定为2101，描绘出以点O
为起始点、终点落在圓212的圆周上的矢量210r,保证正投影矢
量21服与矢量2101成为同一个矢量。考虑以垂线与折射面207a
的交点C为始点，大小为q;i/A的矢量(光栅矢量)。其中，q
是衍射级数(整数)。图中，描绘出了 q=l时的矢量210D，终点B
是垂线与折射面207a的交点；也描绘出了以点O为始点、终点落
在圆212的圆周上的矢量210d。从作图的方法来看，矢量210r
的方位角^ (与折射法线所成的角度)由下式给出。
nBXsin0 = nAXsin0 (式4)
这正是斯内尔定律。另一方面，給出了衍射光线的方位的矢
量210d的方位角^'(与折射法线所成的角度)由下式给出。
nBXsi一'= ruXsin0 — d入/ A (式5)
其中，因为图18所示的情况下的0'跨越z轴(通过点0 的折射法线)，所以将0'定义为负角。 也就是说，衍射光线的方位从折射光线偏离了 q A / A那么 多。在图17中，假定不发生衍射的光线210b相当于折射光线， 发生衍射的光线210c的方位从光线210b偏离了 q A / A那么多， 由此而避免了在折射面205a发生全反射。结果是，由于能够取出 应该成为全反射的光，所以与不具有衍射光栅层的有机EL元件相 比，完全能够预见到取光效率会提高。 但是，在考虑图17 (a)中从点S射出的光210A的时候，若 假定光210A在衍射光栅层209不衍射而直线传播，则光210A会 象光210B那样，以临界角以下的角度入射到透明基板205的折射面205a，在折射面205a折射并透过折射面205a。但因为光210A 实际上是在衍射光柵层209衍射，所以光210A会象光210C那样， 对折射面205a的入射角变得大于临界角，以临界角以上的角度入 射到折射面205a，并发生全反射。因此即使设置衍射光栅层209， 也并非一定能够确保取光效率提高。 在利用了图17所示的有机EL元件的发光装置中，所有的光 线的方位一律位移了 Q A/A而成为衍射光。由于含有这样的衍 射光的光的方位引起光强度分布，位移幅度qA /A又依赖于射 出光的波长A ，所以颜色会由于光射出的方位不同而失去平衡。 也就是说，看去的方向不同，所看到的光的颜色就不同，作显示 屏用当然不合适，作光源用也不合适。 其次，以专利文献2为例，对使用了图19所示的、在透明基 板305的表面上设置有突起物315的有机EL元件的发光装置进行 了研究。如图19 (a)所示，电极302、发光层303、透明电极304 以及透明基板305按此顺序叠层在基板301上，在透明基板305 的表面305a形成有多个突起物315。如图19 (b)所示，在透明 基板表面305a上随机的位置上布置有该多个突起物315,每一个 突起物315都是宽度w、高度h的四棱柱状物体。W的大小在0. 4-20 /zm的范围内，li的大小在0. 4-10/zm的范围内，以范围在5 000-1 000 000个/咖2的密度形成这样的突起物315。将电压施加在电 极302和透明电极304之间，就会在发光层303的内部的点S发 光，该光310d直接或者在电极302反射后，透过透明电极304， 该光310d有一部分通过突起物315象310f那样被取出到外面。 实际的突起物315能够利用侧向蚀刻加工为越靠近顶端越细的形 状，即使不进行侧向蚀刻加工，实效折射率所取的值也是透明基 板305和空气的中间附近的值，所以等效于使折射率分布緩慢地 变化。因此，由于分布接近图15 (b)所示的折射率分布，所以 利用突起物315能够部分防止310e所示的光发生反射。结果是， 能够使取光效率提高。即使将突起物315的尺寸设定在波长以上，
17也会因为突起物315是随机排列着的，而能够抑制被取出的光之 间相互干涉。 但是，假定结构如图19所示的发光装置中，突起物具有专利 文献2中所主张的反射防止效果，则从对图15 (c)的曲线108a、 108b和曲线108A、 108B的比较可知，透光率的提高仅仅归功于 临界角以下的光，对取光效率的改善停留在10%、 20%左右，没 有希望会得到很大的改善。 本申请发明人进行了以上的研讨，并根据这些研讨进一步研 究探讨了如何减少在折射面被全反射的光量，以增加能够取出 的光量。所做的进一步研究探讨是从光在折射面的边界条件入手 的。
图13示意地显示在折射面的光场的边界条件，考虑的是宽W 的光入射到折射面T的情况。由麦克斯韦尔方程式可知，电场矢 量或者磁场矢量沿夹着折射面T绕了一周的路径A的积分是0。 但前提条件是， 一周回路内部没有电荷、光源，沿折射面T的电 场矢量或者磁场矢量的强度、相位连续。 如图13 (a)所示，在宽度W充分大的情况下，与沿折射面 的宽度s相比，能够使与折射面正交的宽度t小到可以忽视的程 度，闭合路的积分中只有沿折射面的成分剩下。由该关系能够求 出电场矢量或者磁场矢量夹着折射面连续。利用该连续性关系导 出的是菲涅耳方程式，该方程式对折射定律、全反射现象做出了 非常完美的解释。 如图13 (b)所示，若光的宽度W小到波长的几十倍以下， 就不能够忽视宽度t 了。此时，若将闭合路的积分A分为B和C (参考图13(c))，则闭合路的积分B因为包括在光束内而成为0。 因为在光束外的电场矢量或者磁场矢量是0，所以剩下的闭合线 积分C仅有在光束内的路径PQ的积分值剩下(参考图13 (d))。 因此，闭合路的积分C不会是0，从计算结果来看等效于光在闭 合路内发光。而且，若光的宽度W小到波长1/10左右，则如图13 (e)所示，闭合路的积分C和C'接近，路径PQ和Q' P，重 叠，因此将闭合路的积分C和C'之和成为O,光就不会在闭合路 内发光了。 另一方面，如图13 (f)所示，考虑的是在具有相位差；r的 光沿折射面排列的情况下，跨越这些光束的闭合路的积分A。在 该情况下，也是若光的宽度W小到波长的几十倍以下，就不能够 忽视宽度t 了。此时，若将闭合路的积分A分为B、 C和B'(参 考图13 (g))，其中的闭合路的积分B、 B'就会因为包括在该光 束内而成为0。剩下的闭合路的积分C的沿折射面的成分能够忽 视，最后剩下的仪是沿两个光束的边界的路径PQ和Q' P'的积 分值(参考图13 (h))。因为在光束的相位是;r的场的路径Q' P' 的积分与在光束的相位是O的场的路径P' Q'的积分相等，所以 闭合路的积分C的大小成为在路径PQ的积分的2倍，从计算结果 来看等效于光在闭合路内发光。因此，就是在不仅排列有宽度较 窄的光，相位不同的光也夹着宽度窄的光排列的情况下，光也会 产生在宽度的边界附近(是一种并非实际上产生了光，而是采取 了实效与发光一样的举动的现象。因为该现象与衍射理论成立以 前杨氏所提倡的边界衍射现象相似，所以称为边界衍射效果)。
不管在折射面T的入射条件如何，只要在折射面上有发光， 该光就会在夹着折射面的两介质中传播。也就是说， 一般认为 只要从计算结果来看会在折射面发光，即使是临界角以上的入射 光也不发生全反射，而出现透过光。因此，本申请发明人利用这 些考察结果对折射面的结构做了下述的研究探讨。该折射面用以 让即使超过临界角光也透过的现象实际发生。 边界衍射效果较强之例如下。如图20所示，在安装在发光体 上的透明基板与空气的边界面，(a)设置针孔，将除此以外的地 方遮光，发出针孔光(口光仅存在于w内)之例，(b)在以宽度 w划分好的棋盘的目上随机地配置180度的移相器18之例。此外， 最初用针孔进行了研究探讨，但因为靠针孔几乎无法取出具有现
19实意义的光，所以对所认为的取光特性与针孔一样的随机布置移 相器也进行了研究探讨。 图21是说明在图20所示的结构下折射面的透光率t对入射 角的依赖性的说明图。设光的波长为0.635//m,在折射率1.457 的透明基板内光量为l的光以角0 (与折射法线所成的角度)入 射到与空气的边界面，以宽度w为参数(w=0. 1、 0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0、 2.0、 4.0、 20.0/zm)表示有多少射出到空气一侧(因 为针孔光与180度移相器所显示的特性完全相同，所以代用180 度移相器)。当超过临界角(43. 34度)时，接近图13 (a)所示 的条件w二20〃m的特性就是透光率几乎成为0。若w小到0.4—1. 0 "m，即使超过临界角，也会由于在图13 (d)、图13 (h)所说明 的边界衍射效果而存在很大的透光率。若进一步减小w (w=0. 1、 0. 2//m)，则如以图13 (e)所做的说明那样，在任一入射角下透 光率都接近O。此外，图21是根据玄姆霍兹(Helmholtz)波动 方程式(所谓的标量波动方程式)得到的解析结果，P偏振光和S 偏振光之差尚未出现。 图25是表示P偏振光入射时第一次的透光率t对入射角的依 赖性的实验结果。因为微细的移相器18实际上是很难制造的，所 以代为使用让相位0度的部分透过，让相位180的部分被遮光膜 (Cr膜)覆盖的掩模(所谓的将遮光膜随机地设置在以宽度w划 分的棋盘的目上之例，与随机地布置针孔光之例相同)，进行了实 验。实际上制作出来的掩模图案，其宽度w是O. 6、 0.8、 1.0、 2.0、 5.0//m。如图26所示，实验装置包括半导体激光(波长 0. 635/zm)、三角棱镜58 (BK7)、掩模基板59 (合成石英、折射 率1.457、背面形成有掩模图案)、聚光物镜系统50、光检测器 51。夹着折射率为1. 51的匹配液52让三角棱镜与掩模基板的表 面紧密接触， 一边从三角棱镜一侧测量方位角， 一边使激光入射， 在聚光透镜系统50将从背面一侧漏出来的透过光会聚起来，用光 检测器51测量透过的光量。在使用掩模的情况下，相当于总面积的1 / 2的遮光膜部分被遮光，透过光量就成为使用移相器的情况 下的1/2。所以，是用入射到没有遮光膜的部分的光量(总光量
的1 / 2)将透光率t标准化的。实验结果与图21所示的解析结
果完全相同，由实验结果可知即使超过临界角(43.34度)也
存在较大的透光率，且w越小，这一倾向就越强烈。
本申请发明人根据这样的结果进一步进行了研究探讨，实现
了至今所未曾有的发光装置，该发光装置防止了全反射，使取光
效率有了飞跃性的提高。
下面，参考附图对本发明的实施方式做详细的说明。在以下
各图中，为筒化说明，用同一参考符号表示实质上具有同一功能
的构成要素。
(第一实施方式)
根据图1到图5 (a)、图5 (b)、图28以及图29对第一实施
方式进4于说明。 图1示出了使用了第一实施方式中的有机EL元件的发光装置 的剖面结构和光的传播情况。电极2、发光层3以及透明电极4 按此顺序叠层在基板1上，透明基板(透明的保护层)5形成在 透明电极4上。由基板l、电极2、发光层3以及透明电极4构成 发光体。在透明基板5的表面形成有被划分为微小区域且具有微 细的凹凸的表面结构13。 将电压施加在电极2、透明电极4之间，就会在发光层3的 内部的点S发光，该光直接或者在电极2反射后，透过透明电极 4，与表面的法线成角度0地入射到透明基板5的表面的表面结构 13上的点P，在该点由于表面结构13的作用折射，射出到空气6 层一侧。 若设空气6层的折射率是n0，透明基板5的折射率为nl，则 当入射角^大于临界角6c=sin-l (nO/nl)时，就应该发生全反 射。但是，因为在透明基板5的表面具有表面结构13，所以即使 光以临界角以上的角度入射到点Q，该光也不会在点Q发生全反射，而是发生折射，并射出到空气6层一侧(第一次取光)。此
夕卜，在点Q，有一部分光反射，但该反射成分在电极2反射后， 再次入射到表面结构13上的点R，有一部分射出到空气6层一侧 (第二次取光)，剩下的反射。无限地重复进行以上过程。
这里，考虑使用了没有表面结构13的现有有机EL元件的发 光装置，因为以临界角以上的角度从透明基板一侧入射到透明基 板与空气层的界面的光发生全反射，该光即使在电极发生反射， 也会再次以临界角以上的角度再次入射到透明基板与空气层的界 面，所以取光不会出现两次或两次以上，这一点与该实施方式不 同。
下面，对该实施方式的特征即表面结构13进行详细的说明。
图2示出了第一实施方式中表面结构13的图案图。图2(a) 中左边的图是俯视图，右边的图是俯视图中的A-A线的剖视图。 如图2 (a)所示，假想地将透明基板5的表面无间隙地分割为宽 度w (边界宽度)的棋盘的目(正方形的微小区域5)， 一个一个 的目(微小区域5)为凸(图中的13a(微小区域(5i)、灰色的目)、 还是相对于该凸为凹((图中的13b (微小区域52)、白色的目) 以各为50%的比率随机地分配，即形成表面结构13。图2 (b) 示出的是w二0.4"m时的例子(黑色表示凸，白表示凹)。从凹的 底部开始算起凸的突出高度是d。也就是说， 一个微小区域5与 其它的多个微小区域(5相邻，且被其它的多个微小区域(5包围。 微小区域5i比微小区域52还突向透明基板5的表面的上方。若 将微小区域(5i和微小区域52在与透明基板5的表面垂直的方向 上的中间位置决定为与透明基板5的表面平行的基准面，则微小 区域5i从基准面朝上方突出d/2，微小区域52从基准面朝下方 凹进d/2。或者可以这样说，在透明基板5的与空气6层的边界 面存在多个凹陷(白色部分)，凹陷以外的部分的上面位于同一个 面上，凹陷的深度实质上分别是同一个d,若以该凹陷的底面为 第一基准面，则第一基准面被具有1. 5x1. 5〃m2以下的相等面积
22的多个微小区域5假想地分割开，凹陷的底面成为两个以上的微 小区域5连接在一起的形状，或者仅为 一个微小区域5的形状。 也可以说凹陷随机地布置在第一基准面上，此外，第一基准面是 与上述基准面不同的面。
可以采用以下方法形成表面结构13。制作已靠蚀刻形成了凹
凸的模具，再通过挤压将该形状转印到薄膜状的树脂上，然后以
该薄膜作透明基板5，夹着粘接层将该透明基板5贴合到透明电 极4上。此时，透明基板5就是透明薄膜。还可以采用以下方法 形成表面结构13。即，对薄膜的表面或者作为保护层形成的透明 基板5的表面直接蚀刻等来形成凹凸。
因为由于这样的随机图案而发生衍射的光其传播方位也是随 机的，所以不会专利文献1所公开的发光装置那样存在方位不同 而产生的光强度强弱分布，色彩也就不会受方位的影响而失去平 衡。从外界(空气层一侧)入射的光在透明基板5表面的表面结 构13发生反射，但是因为该反射光衍射的方位是随机的，所以外 界的像不会映入进来，也就不需要进行形成反射防止膜等的光学 处理，从而能够将产品成本抑制得较低。图28和图29是说明图， 表示从第一实施方式的表面结构射出的第一次取出光对视角的依 赖性的解析结果。示出的是高度差d二O. 7/zm，波长A和边界宽度 w是参数的情况。以下是各图的条件。图28 (a)中，；i =0.450 //m， w=0. 5#m;图28 (b)中，635//m, w=0. 5//m;图28 (c)中，入0.450/zm， w二1.0〃m;图28 (d)中，A=0.635//m， w二l. 0//m。图29 (a)中，A=0. 450〃m， w=l. 5;zm;图29 (b) 中，A=0. 635〃m， w=l. 5〃m;图29 (c)中，A=0. 450/zm， w=2. 0 //m;图29 (d)中，A=0. 635//m， w二2. 0/zm。将原点与曲线上 的点连接起来的矢量表示射出光的光强度和射出方位。矢量的长 度对应于光强度，矢量的方位对应于射出方位。纵轴对应于法线 轴的方位，横轴对应于面内轴的方位。实线表示在沿着图2(b) 中的x轴或y轴的剖面(0度、90度的经度方位)的特性；虛线表示在沿着面内轴是y二x或y卜x的直线的剖面(45度、135度的 经度方位)的特性(因为90度方位的结杲和O度方位的结果一致， 135度方位的结杲和45度方位的结果一致，所以省略图示90度 方位和135度方位的结果)。边界宽度w二O. 5、 1. 0〃m时，实线、 虛线都表示相对偏角(绵度)具有平緩的变动(亦即伴随视差的 强度差很小)且二者一致。若使w增大，w二2. 0/zm，则相对于在 法线方向附近的偏角的强度变动大，A二0.450〃m时，实线与虛 线间的乖离也变大。w二l. 5/im是开始出现强度变动的最低条件。 因此，在边界宽度w在1. 5/zm以下的条件下视角依赖性如下经 度方向的光强度差小，法线方向的光强度强，相对于偏角(炜度) 的变动緩慢。 图3是说明第一实施方式中表面结构13的透光率t对入射角 的依赖性的说明图，图3 (a)示出了在透明基板5内光量为1的 光以角0 (与折射法线所成的角度)入射，第一次有多少射出到 空气6层一侧。图3 (b)示出了在表面结构13反射，在电极2 发生反射后，再次入射到表面结构13的情况。也就是说，第二次 透光率对入射角的依赖性。任一幅图中的条件都是，透明基板5 的折射率m二i. 457，空气6的折射率wfI. 0 ，光的波长入=0. 635 /zm，微小区域5i相对徵小区域52的突出高度cK).70/2m，微小 区域5i的面积比率(亦即是凸的比率)P=0. 5，表面结构的宽度 w为参数(w=0. 1、 0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0、 2.0、 4.0//ra)。 此外，突出高度d=0. 70//m相当于让垂直入射时在凹部的透过光 与在凸部的透过光产生180度的相位差。 图3 (a)中，除了在w^. 1、 0. 2/zm时的结果不同以外，其 它宽度下的结果都接近在180度移相器的结果(图21),即使超 过临界角，也存在较大的透光率。图24是表示P偏振光入射时透 光率t对入射角的依赖性的实验结果。实际利用电子束法在石英 基板上形成深度(1=0. 70、边界宽度wK). 4的凹凸随机图案，用图 26所示的测量装置进行了实验。实验结果与图3(a)所示的解析结果非常一致，由实验结果可知即使超过临界角(43.34度)也 存在较大的透光率。如在该实施方式之前所说明的那样，不管在 折射面入射条件如何，若在折射面上具有等效的发光(所谓的边 界衍射效果)，该光就在夹着折射面的双方的介质内传播。因为以 在折射面上产生等效的发光为条件，所以能够说明图3所示那样 的即使入射的光超过临界角它也会透过的现象。 假定光由于点发光而在透明基板5内成为球面波，均匀地扩 散，则从发光方位角0 (与上述入射角0—致)到6+d0之间的 光量的总和就与sin^d^成正比。因此，取出的光量就与对图3 (a)、图3 (b)所示的透光率t乘以sin6后所得到的值成正比。 图4 (a)和图4 (b)是说明在第一实施方式的表面结构下取出光 量对入射角的依赖性的说明图。也就是说，图4 (a)示出的是 在透明基板5内的一点(实际上是发光层内的点)发光的光量为 1的光以角6 (与折射法线所成的角度)入射到表面结构上，第 一次有多少射出到空气6层一侧；图4 (b)示出了在表面结构13 反射一次，在电极2发生反射后，再次入射到表面结构13的情况。 也就是说，第二次取出的光量对入射角的依赖性。 用入射角e对取出光量进行积分，就能够得到取光效率。图 5 (a)、图5 (b)是说明第一实施方式中表面结构13的取光效率 的说明图。在与图3相同的条件下，横轴是表面结构13的边界宽 度w。在图5 (a)中，示出了表面结构13的突出高度d二0. 07//m 时的取光效率，还示出了 cN). 1、 0.30、 0.50、 1. 40//m时的取光 效率(第一次的取光效率？n),又示出了下迷情况的取光效率(第 二次取光效率？7 2)。即，假定往返过程中无光衰减，例如在透明 电极4无吸收，在电极2无反射损失等，在表面结构13反射，再 在电极2发生反射后，再次入射到表面结构13的情况。曲线5a、 5A分別表示d=0. 70/zm时的第一次及第二次取光效率，曲线5b、 5B分别表示d:O. 50^ffl时的第一次及第二次取光效率，曲线5c、 5C分别表示d=0. 30//m时的第一次及第二次取光效率，曲线5g、5G分別表示d=0. 10/zm时的第一次及第二次取光效率，因为与其 它深度时的取光效率相比，d=0. 10〃ffl时取光效率变小，所以突 出高度d需要在0.20//m以上。如曲线5h所示，当突出高度d 成为可见光波长的两倍以上(d》1.4〃m)时，在宽度w在O. 5/z m以下的区域第一次取光效率大大恶化，所以优选突出高度d在 1. 4//m以下。因此，d的推荐值在0.2-1.4〃m的范围内。 一般而 言，高度差的推荐值满足条件;i/ (ni-no) >d>;i/6 (n广no), 其中m表示透明基板5的折射率是，no表示空气6的折射率，入 表示光i普的中心波长。 边界宽度w在0. 4-2//m时，cKO. 70//m时的第一次取光效 率都成为极大值。若减小w或者增大w，则第一次取光效率就渐 进线地接近O. 27 (由(式3)给出的值，也就是使表面为镜面时 的取光效率)。边界宽度w二O. 10到2. 0〃m之间时，第二次取光效 率都成为极大值，若增大w，第二次取光效率便渐进线地接近0. 00 (在图5所示的范围内未出现)；当w《0. 10//m时，随着w变小， 收敛于0. 00。 作为参考，图5 (b)的曲线5d、 5D示出了不是表面结构13， 而在微小区域Si设置了让光的相位转换了 180度的移相器时的 第一次及第二次取光效率。在该实施方式中的表面结构13下，凹 部和凸部的传播光在传播距离相当于二者的高度差的期间内产生 相位差。相对于此，在移相器下，假想传播距离是0时就产生相 位差。在设置了移相器的情况下，若使边界宽度w增大，则第一 次、第二次取光效率就会分别渐进线地接近O. 27、 0.00，这一点 与表面结构13—样。但是，若使边界宽度w减小到在0. 3/zm以 下，则不仅第二次取光效率成为0，第一次取光效率也成为0 (理 由已经参考图13 (e)做了说明)。可以认为该实施方式中的表 面结构13在边界宽度w在0. 4/zm以下的条件下取光效率比移相 器高的理由，是因为凸部起到了光波导的作用。
设从透明基板5看到的在透明基板5的表面与电极2之间往
26返的光的透光率为r ，则考虑了往返过程中的光衰减的第二次取 光效率就成为rx"2。取光并不是停留在第一次、第二次，而是 无限地重复下去。假定能够用等比级数表达该关系，第一次取光
效率是"i,第二次是取光效率是"2，则能够预想得到第n次取 光效率就会成为7 2x (rx 72/n-l。因此，到第n次的取光
效率的合计就成为
(数学式l)
7lx|>x72/7l)"' (式6) 无限次以后，取光效率就渐进线地接近771/ (1—t:x772/ "i)。 观察以下图5 (a)中的曲线5a、 5A (d=0. 70//m)， w:O. 60 //m时，"i二0.318, " 2=0.093，若设1=0.88，则所得到的取光 效率就是0.428。 w-1.00〃m时，〃1=0.319， " 2=0. 102，所得到 的取光效率就是0. 444。另一方面，图14、图15 (a)所示的现 有发光装置，7 f0.274， "2二0，第二次以后全部成为O，合计就 是0.274。因此可知在w=0. 60//m的条件下，该实施方式中的 发光装置实现了图15(a)所示的发光装置的1. 56倍的取光效率； 在w4. 00//m的条件下，该实施方式中的发光装置实现了图15(a) 所示的发光装置的1.62倍。若这样使w大于0.2^m (—般而言， 就是使与微小区域5最大内切圓的直径在0.2//m以上)，就能够 实现取光效率的大幅度提高。 接下来，考察一下该实施方式的表面结构13的取光效率是如 {可依赖波长的。 图5 (a)中的曲线5a'、 5A'、 5h，、 5H'示出的是在波长0.45 "m的条件下，对d-0.70、 1.40//m的第一次及第二次取光效率。 这些特性大致与波长在0.635/zm时的结果一致，由此可知能够 使取光效率伴随可见光内的波长差所产生的变化减小。 因此，即使该实施方式中的表面结构13是单一的形状(d和 w)，也能够得到相对于可见光内的全部波长都是接近最佳值的取光效率。结果是，在该结构应用于显示装置的显示面的情况下，
就无需分別针对RGB三种像素改变表面结构13的形状，也就能够
大幅度地简化结构，大幅度地简化组装时所要做的调整。 在有机EL元件中，有时会在透明电极4上放置透明的调整层， 对光在透明基板5和电极2之间往返过程中的透光率进行调整。 在该情况下，透明基板5被放置在调整层之上(也就是说，可以 称包括到调整层为止的有机EL元件是发光体)，但在透明基板5 的折射率m小于调整层的折射率m'的情况下，在透明基板5和 调整层之间就会存在发生全反射的边界面，特別是在m' - m>0. 1 的情况下，该边界面的影响就是不可忽视的了 。图22示出了此时 的光的传播情况。 在图22中，折射率为n2的发光层3的内部的点S发出的光 直接或者在电极2反射后，透过透明电极4，透过折射率m'调 整层15,在边界面15a上的点P ，折射，透过折射率为m的透 明基板5，经由透明基板5与空气6层的边界面上的点P射出到 空气6层一侧。这里，ni'》n2>ni> 1.0。此外，ni'小于n2 也无妨，在该情况下，会在透明电极4与调整层15之间发生全反 射。因为在透明基板5的与空气6层的边界面上形成有该实施方 式所涉及的表面结构13，所以即使是超过临界角的光，也能够取 出到空气6层一侧。但是，因为有m' 〉m的关系，所以也会在边 界面15a发生全反射。也就是说，当朝着点Q'以比朝着点P，入 射的入射角还大的入射角入射时，会发生全反射，该光在与电极 2之间重复进行该全反射，也就不能够取出到空气6层一侧。 如图23所示，在这样的情况下，在调整层15与透明基板5 的边界面上也形成该实施方式所涉及的表面结构13，，就能够将 超过了在该面的临界角的入射光取出到空气6层 一侧。也就是说， 由于表面结构13'的存在，即使超过了临界角的光朝着点Q'入 射，该光也不发生全反射，在该面反射的成分在电极2反射后， 再次入射到表面结构13'上的点R',其一部分能够经由表面结构13射出到空气6层一侧，无限地重复以上的过程。图23中的结 构双重地形成了具有凹凸的表面结构13、 13',较复杂，但有利 之处是能够使用折射率较低的材料形成透明基板5，选材幅度 加宽了。 此外，由(式6)得到的在透明基板5与电极2之间往返的光 的透光率r越大，取光效率就越大。实际的发光层3除了被电极 2、透明电极4包围起来以外，还被所述调整层15等多个透明层 等包围。对这些膜的设计(决定包括发光层3的膜的折射率、厚 度等)应该保证所述透光率r成为最大。此时，因为在表面结构 13的反射其相位的分布是随机的，反射光的重合就成为非相干处 理(不是振幅相加，而是强度相加)。也就是说，能够忽视透明基 板5表面对反射的影响，也就可以假想成反射率0%、透光率IOO %的情况加以处理。在假想成反射率0%、透光率100%的条件下， 让光从透明基板5发出，再让该光多重地在包括发光层3的多层 膜之间往返，使返回到透明基板5的复数光振幅的重叠光量成为 最大，以此作为决定各层膜的折射率、厚度等的条件。 (第二实施方式)
参考图6、图27对笫二实施方式进行说明。此外，第二实施 方式仅有表面结构13的图案与第一实施方式不同，其它结构都与 第一实施方式相同，省略对共同结构的说明。
第二实施方式中，不是将表面结构中的凸的比率P，凹的比 率l-P固定在O. 5，而是使P二 0.4 — 0. 98。也就是说，微小区域 (朝上方突出的区域)占40 — 98%,微小区知戈(？2 (凹陷)占 60 — 2%。
图6(a)是说明该实施方式中表面结构的取光效率的说明图。 该图中，设透明基板5的折射率m=l. 457，空气6的折射率no =1.0，光的波长；1=0. 635/zm，表面结构的突出高度d=0. 70〃m， 横轴表示表面结构的边界宽度w，该图示出的是比率P二O. 2、 0.4、 0.6、 0.8、 0. 9时的取光效率(第一次和第二次)。曲线6a、 6b、
296c、 6d、 6e以及曲线6A、 6B、 6C、 6D、 6E分别表示在P=0. 2、 0. 4、
0.6、 0.8、 0. 9下的取光效率。图27中的曲线27a、 27A描绘出
的是在上述条件下设边界宽度w= 1. 0 m ，以凸的比率P为横轴的
取光效率(第一次和第二次)。
由图6 (a)可以看出在第一次取光效率特性下，在w的所
有区域都是比率P二O. 2时第一次取光效率最小，当w《2//m时，
比率P二0.6时，第一次取光效率给出最大值。在第二次取光效率
特性下，在w《4/zm的范围内，比率P二O. 9的第二次取光效率最
大，P=0. 2时的第二次取光效率最小。由图27中的曲线27a可以
看出在第一次取光时，将支配凹凸的面积比率的比率P设定在
以0. 6为中心的0. 4 — 0. 8的范围内，取光效率就得到了进一步的
提高。可以认为这是因为凸部在该范围内起到了光波导的作用
(当p《0. 2时，形成波导的凸部的面积比小；而当>0. 8时，凸
部相互间过于接近，波导效果变小)所导致的。另一方面，由图
27中的曲线27A可以看出在第二次取光时，将比率P设定在以
0.9为中心的0.5 — 0. 98的范围内，取光效率就得到了进一步的
提高。因此，在包括第一次、第二次的合计取光效率下，优选将
比率P设定在0. 4-0. 98的范围内。
这样，在该实施方式中使比率P偏离0.5，就能够得到高于 第一实施方式的取光效率；还收到了与第一实施方式一样的效果
不会因方位不同而产生光强度的强弱分布，色彩也就不会失去平 衡，且能够实现取光效率的大幅度提高，还能够抑制外界像的映 入等。 (第三实施方式)
参考图6 (b)说明第三实施方式。此外，第三实施方式仅有 表面结构13的高度差条件与第一实施方式不同，其它结构都和第 一、第二实施方式一样，省略对共同结构做说明。
第三实施方式是使第一、第二实施方式中表面结构中的相邻 的两个微小区域(51、 (52间的高度差的量为随机值的情况。使其
30为随机值的方法如下在图2 (a)中，假想地将透明基板5的表 面无间隙地分割为宽度w (称为边界宽度)的棋盘的目(正方形 的微小区域5 )，针对一个基准面根据随机函数对一个一个的目随 机地设定从-dm/2到dm/2之间的任意一个高度(或者深度)。一 冲-基准面是在平行于透明基^反5的表面的法线的方向上，存在 于位于最高位置的微小区域5和位于最低位置的微小区域5中间 且平行于透明基板5的表面的面。dm是位于最高位置的微小区域 5和位于最低位置的微小区域5在高度方向的位置差。 图6(b)是说明该实施方式中表面结构的取光效率的说明图。 该图中，设透明基板5的折射率m=l. 457，空气6的折射率no =1.0,光的波长A二O. 635//m，横轴是表面结构的边界宽度(微小 区域5的宽度)w，该图示出的是最大高度差dnFl.4、 0.9、 0.7、 0. 3/zm时的第一次取光效率？？i、第二次取光效率？？2。从便于计 算的角度来考虑，作为从基准面算起的高度差的量的随机性分以 下几种情况当dm=l. 4//m时，从-0. 7〃m到0. 7〃m以0. 467/zm 为一个间隔值(st印)，随机地选摔了四种高度差(条件是出现概 率分别为25%);当dnFO. 9，时，从-0. 45//m到0. 45/zm以0. 3 //m为一个间隔值，随机地选捧了四种高度差(条件是出现概率 分別为25%);当dn二O. 7//m时，从-0. 35/zm到0. 35//m以0. 233 /zm为一个间隔值，随机地选摔了四种高度差(条件是出现概率 分別为25%);当dnFO. 3//m时，从-0. 15/zm到0. 15/zm以0. 1 〃m为一个间隔值，随机地选择了四种高度差(条件是出现概率 分別为2596)。此外，各个间隔值的出现概率无需均等。例如 可以使低(深)位置的间隔值的出现概率较小，高(浅)位置的 间隔值的出现概率较大。 曲线6i、 61分别表示dm=l. 4//m时的第一次及第二次取光效 率；曲线6h、 6H分别表示d^0. 9//m时的第一次及第二次取光效 率；曲线6g、 6G分別表示dnF0. 7"m时的第一次及第二次取光效 率；曲线6f、 6F分别表示dnF0. 3//m时的第一次及第二次取光效率。与第一实施方式一样，当边界宽度w在0. 2-2/zm这一范围时， 第一次取光效率都成为极大值，若使w减小或者增加，第一次取 光效率就渐进线地接近0. 27 (所谓的(式3)给出的值即使表面 为镜面时的取光效率)。当边界宽度《0. 20/zm时，第二次取光效 率都成为极大值，隨着w变小，第二次取光效率便收敛于O，图中 未出现，当使w大于8/zm时，第二次取光效率就渐进线地接近 0.00。因此，需要将边界宽度w设定在O. 2/zm以上。而且，如对 第一实施方式的图28、图29中所进行的讨论那样，从视角依赖 性的关系来看，优选边界宽度w在1. 以下。在图6 (b)中， 在dra=0. 7wm、边界宽度w=0. 6〃m的条件下计算得出的第一次及 第二次取光效率(7 i、 ？ 2)分別成为0.331、 0.141。因此，与 在第一实施方式所得到的特性(曲线5A)、在第二实施方式所得 到的特性(曲线6B、 6C)相比，在dnFO. 7//m时所得到的特性下， 第二次取光效率提高了 。可以认为第二次取光效率提高的理由如 下因为凸部顶端不一致，图案的随机性增加，在表面结构反射 .的光的传播方位的随机性质也就因此而增加，反射光的扩散性也 就提高。因此，就是在第二次取光时，光也能够以接近第一次取 光的状态(全方位光强度均匀的状态)入射。 此外，在wX). 4//m的范围内，与diFO. 7//m时的特性相比， dm=0. 3〃m时的第一次的特性恶化了 ，所以优选dm在dn^0. 2 — 0. 3 /im的范围内(该范围与第一实施方式相同)；在w》1.0/zm的范 围内，dn=l. 4//m时的第一次的特性比dnFO. 7〃m时的特性稍有改 善，但若cL过大，则不《又加工困难，而且在w>l. 5//m的条件下 视角特性会恶化(参看图28、图29)，因此，可以说1.40/zm是 dm的上限的参考值。这些范围与第一实施方式的范围(;i/(ni-no) >dm> A/6 (ni-no)相同。 就这样，第三实施方式靠随机地设定高度差的量，而得到了 比第一、第二实施方式高的取光效率；还收到了与第一实施方式 一样的效杲不会因方位不同而产生光强度的强弱分布，色彩也就不会失去平衡，而且，能够实现取光效率的大幅度提高，还能 够抑制外界像的映入等。
此外，能够想到的随机地设定高度差的量的条件有两个(1) 取从0到最大高度差的量dm的所有值的情况、(2)取含有0和最
大高度差的量dm的三级以上的高度差中任一个的情况。考虑一下
(2)之一例取0、 dm/3、 dmx2/3、 dm这四种高度差的情况。在 该情况下，经过两次曝光、蚀刻工序(第一次曝光使用边界宽 度wi的掩模图案，蚀刻深度dm/3、第二次曝光变为使用边界 宽度W2的掩模图案，蚀刻深度dmx2/3)就能够制作出用以将这 样的表面结构形成在薄膜表面上的形状转印用模具。此时，为使 不连续的边界线的出现频率最大的条件是w2=wl。
进一步考虑取0、 dra / 6、 drax2 / 6、 d"3 / 6、 d"4 / 6、 dmX5 /6、 dm这七种高度(高度差)的情况。在该情况下，经过三次 曝光、蚀刻工序(第一次曝光使用边界宽度wi的掩模图案，蚀 刻深度dm/6、第二次曝光变为使用边界宽度W2的掩模图案， 蚀刻深度dmx2/6、第三次曝光变为使用边界宽度W3的掩模图 案，蚀刻深度dmx3/6)就能够制作出用以将这样的表面结构形 成在薄膜表面上的形状转印用樓具。此时，为使不连续的边界线
的出现频率最大的条件是WFW2二W3。 (第四实施方式)
参考图7说明第四实施方式。此外，第四实施方式仅表面结 构的图案与第一实施方式不同，其它结构都和第一实施方式一样， 省略对共同结构做说明。 图7示出了到决定出第四实施方式中的表面结构的图案为止 的过程。图7 (a)示出的是将透明基板5的表面无间隙地分割 为宽度wi的棋盘的目(正方形的微小区域a)，以一个一个的目 是黑色、是白色的比率各为50%,随机地分配了白色与黑色后得 到的图案。该图中显示的是wFl^zm之例(wi的最佳值更小，但 若使其为更小的值，在图中无法看清楚，因此用该值进行说明)。
33分配给黑色的微小区域a是微小区域1 ，分配给白色的微小区域 Q!是撰t小区i或a2。
图7 (b)示出的是将透明基板5的表面分割为wi的整数倍 的宽度W2的棋盘的目(正方形的微小区域/S),以一个一个的目
是黑色的比率为P2，是白色的比率为1-P2,且？2=0. 5，随机地分
配了白色与黑色后得到的图案。该图中显示的是w2=2/zm之例。
分配给黑色的微小区域/5是微小区域/5 1 ，分配给白色的微小区域
/S是孩i小区域/32。 图7 (c)示出的是按照以下规则得到的图案。该规则是使 棋盘的目相亙对齐地将图7 (a)、图7 (b)中的图案重叠起来， 黑色(cn)与黑色(/3i)重叠成为白色，白色("2)与白色(/3 2)重叠成为白色，白色(o:2)与黑色(ySi)或黑色(cn)与白 色(/32)重叠成为黑色。结果是，图7 (c)所示的图案的生成规 则与图7 (a)的图案的生成规则一样，让黑色作凸，相对于此让 白色作凹的表面结构的图案与第一实施方式中所介绍的图案相 同。
另一方面，图7 (d)示出的是将透明基板5的表面分割为 宽度wi的棋盘的目(正方形的微小区域q:)，以一个一个的目是 黑色的比率为Pi，是白色的比率为1-Pi，随机地分配后得到的图 案。该图中，显示的是WFl^ni、 Pi=0. l时的例子。与图7 (a) 一样，黑色是微小区域ai，白色是微小区域o;2。 图7 (e)示出的是按照以下规则得到的图案。该规则是使 棋盘的目相互对齐地将图7 (d)、图7 (b)中的图案重叠起来， 黑色("0与黑色(/3i)重叠成为白色，白色("2)与白色(/3 2)重叠成为白色，白色(CK2)与黑色(y5i)或黑色(cn)与白 色(/32)重叠成为黑色。结果是，图7 (e)所示的图案具有与图 7 (c)所示的图案相似的特征，这些特征是是黑色白色的面积 比率是l: 1，黑色标记、白色标记的最小尺寸相同等。图7 (e) 所示的图案与图7 (c)示出的图案的不同之处是最小尺寸的出现比率较低。最终的黑色与白色的比率(凹凸的面积比率)由比率 P〗、P2决定，黑色的比率P (成为凸的比率)由P二Pl+P2-2PlP2给
出。图27中，附带示出的曲线27b、 27B示出了在表面结构的凸 部的突出高度d=0. 70 〃 m、 wi=0. 2 m、 W2= 1 m、 Pi二O. 1的条件下， 以成为凸的比率P为横轴计算得出的第一次、第二次取光效率(" i、 ？7 2)的特性。 由图27中的曲线27b可知尽管图案的凹凸分布与第一实施 方式不同，但在第一次取光时，将支配凹凸的面积比率的比率P 设定在以0. 6为中心的0. 4 — 0, 8的范围内，取光效率得到了进一 步的提高。另一方面，从曲线27B可知在第二次取光时，将比 率P设定在O. 5 — 0.9的范围内(因为设定为Pi=0. 1，所以在O. 1 以下、0. 9以上描绘不出曲线27b、 27B)，取光效率得到了进一步 的提高。因此，与第一实施方式一样，对比率Pl、 P2进行组合， 将最终成为凸的比率P设定在0. 5-0. 98的范围内，就能够使包括 第一次、第二次取光效率的合计取光效率提高。此外，图27中的 曲线27c、27C示出的是在wi=0. l/zm、Pi=0. 1的条件下的第一次、 第二次取光效率的特性；图27中的曲线27d、 27D示出的是在 wi=0. l//m、 Pi=0. 2的条件下的第一次、第二次取光效率的特性。 因为若使wi小于0. 2//m效率就会大幅度地恶化，所以需要使边 界宽度wi的大小在0. 2//m以上。而且，如对第一实施方式的图 28、图29中所进行的讨论那样，从视角依赖性关系来看，优选边 界宽度wi在1. 5〃m以下。 第四实施方式是对第一实施方式中的表面结构的形成条件稍 微做了一些改变后得到的。在某些条件下，取光效率会比第一实 施方式稍有恶化，但仍然能够实现比图14、图15 (a)所示的现 有发光装置更大的取光效率；与第一实施方式一样，第四实施方 式还具有以下效果不会因方位不同而产生光强度的强弱分布， 色彩也就不会失去平衡，而且，能够实现取光效率的大幅度提高， 还能够抑制外界像的映入等；与第一实施方式相比，第四实施方
35式对有关表面结构的形状的制约条件较宽，所以误差容限可以取 得较宽，因此而容易进行加工，这是第四实施方式的有利之处。 例如，在第一实施方式的条件下，因为凹部与凹部或凹部与凸部 的间隔很小，所以很难加工出微细的凹凸形状。但在第四实施方 式中，因为微细的凹部或者凸部的出现比率较低(参考图7 (C)
和图7 (e))，所以凹部与凹部或凹部与凸部的实效间隔增加了 ， 加工难度减小了。此外，不言而喻，将第四实施方式应用到第二 实施方式中，也能够获得与第二实施方式一样的效果。
(笫五实施方式)
将第四实施方式和第三实施方式組合在一起，即构成该第五
实施方式。在该实施方式中，为便于理解区域的设定，用不同的 颜色来区分、说明各个区域。在第五实施方式中，首先，将透明 基板5的表面分割为宽度wi的棋盘的目(正方形的微小区域cO， 以一个一个的目是黑色的比率为Pi，是白色的比率为1-Pi，随机 地分配黑色、白色后，利用蚀刻等方法将分配给了白色的区域(微 小区域o:2)刻入一深度di (〉0)。此外，分配给了黑色的区域是 摆女小区知戈cu。 接下来，将透明基板5的表面分割为宽度W2的棋盘的目(正 方形的微小区域^)，以一个一个的目(微小区域/3)是蓝色的比 率为P2，是赤色的比率为1-P2，随机地分配了蓝色与赤色，利用
蚀刻等方法将分配给了赤色的区域(微小区域yS2)刻入一深度d2 (〉0)。此外，分配给了蓝色的区域是微小区域ySl。其中，W2是 Wl的整数倍(优选W2=W1)，边界线对齐地将棋盘的各个目重叠在 一起。 于是，当以白色与赤色重叠的部分的面为基准面时，就能够 使黑色与蓝色重叠后的高度相对于该基准面成为di+d2，使白色与 蓝色重叠后的高度相对于该基准面成为d2，黑色与赤色重叠后的 高度相对于该基准面成为di。因此，由于高度差能够随机地获取 在0到di+d2之间的四种值(0、 di、 d2、 di+d2),所以能够收到与第三实施方式一样的效果。 而且，若设定为di=dmXl/3、 d2=drax2/3，就能够将因结构 微细而难以制作的宽度wi的图案的深度加工得较浅，因此有利之 处就是加工容易。在di^dmxl/3、 d2=drax2/3的情况下，因为率
P'2对应于刻入深度丰支深的一侧(实际上比率P2—侧为'2，比率Pl 一侧为1的加权与平均深度有关)，所以比率P2与决定凹凸的面 积比率，亦即深度的平均大小的第四实施方式的比率P2意思相近。 另一方面，因为比率Pl与微细结构(宽度W1)的出现比率有关，
所以比率Pl与第四实施方式中的比率Pl意思相近。
此外，上迷实施方式将两种曝光、蚀刻工序組合起来了，若
将三种曝光、蚀刻工序组合使用，就能够随机地取得八种值的高 度。在该情况下要在上迷两个蚀刻工序中加上以下工序。也就是
说，将透明基板5的表面分割为宽度W3的棋盘的目(正方形的微
小区域r)，以一个一个的目是绿色的比率为P3，是黄色的比率为
1-P3,随机地分配了绿色和黄色，用蚀刻等方法将分配给了黄色 的区域(微小区域了2)刻下一个深度d3 (>0)。此外，分配给了 绿色的区域是微小区域r 1 。其中，W3是W2的整数倍(优选W3=W2)， 以边界线对齐地将棋盘的各个目重叠在一起。
于是，当以白色与赤色与黄色重叠的部分的面为基准面时，
就能够使黑色与蓝色与绿色的重叠相对于该基准面的高度成为
di+d2+d3，白色与蓝色与绿色的重叠相对于该基准面的高度成为 d2+d3,黑色与蓝色与黄色的重叠相对于该基准面的高度成为 di+d2，黑色与赤色与绿色的重叠相对于该基准面的高度成为 di+d3，黑色与赤色与黄色的重叠相对于该基准面的高度成为di， 白色与蓝色与黄色的重叠相对于该基准面的高度成为d2，白色与 赤色与绿色的重叠相对于该基准面的高度成为d3。因此，由于高 度能够在0到di+d2+ds之间随机地获取八种值(0、 di、 d2、 ds、 di+d2、 d2+d3、 d3+di、 d1+d2+d3)，所以能够收到与第三实施方式一 样的效果。
37
而且，若设定为di=draxl / 6、 d2=drax2 / 6、 d3二dmx3 / 6，就能
够将因结构微细而难以制作的宽度Wl 、 W2的图案的深度加工得较
浅，因此有利之处就是加工容易。在di=dmxl/6、 d2=dmx2/6、
d3=dmx3 / 6的情况下，因为比率P2、 P3对应于刻入深度较深的一 侧(实际上，以比率P3 —侧为3、比率P2 —侧为2、比率Pl —侧 为1的加权与平均深度有关)，所以比率P2、 P3与决定凹凸的面积 比率，亦即深度的平均大小的第四实施方式的比率P2意思相近。 另一方面，因为比率Pl与微细结构(宽度W1)的出现比率有关，
所以比率Pl与第四实施方式中的比率Pl意思相近。 (第六实施方式)
参考图1对第六实施方式进行说明。此外，第六实施方式仅
有表面结构13的图案与第一实施方式不同，其它结构都与第一实
施方式一样，省略对共同结构的说明。 第六实施方式是用移相器构成第一实施方式中表面结构的相 邻两个微小区域Si、 (52得到的。移相器能够用例如折射率不同
的多层膜构成。也就是说，能够利用多层膜的多重反射调整透过 光的相位，能够通过改变多层膜的结构(膜厚、层数)随机地形
成180度的区域和0度的区域。而且，即使改变透过两个区域的 光的偏振光，只要利用偏振镜就能够收到同样的效果。此时所用 的偏振镜，能够保证对应于180度区域的透过光的偏振光是P偏 振或是右旋圓偏振光；对应于0度区域的透过光的偏振光是S偏 振光是左旋圓偏振光。使用方位相差90度的1 / 2波长板也能够 实现该第六实施方式。此外，第一实施方式那样的、折射率有差 别的界面的凹凸结构也是透过光的相位在凹凸间变化，所以可以 说第一实施方式中的上述结构也是移相器的一种形态。
该实施方式中的表面结构13的透光率t对入射角的依赖性以 及取光效率都已经显示在图21、图5 (b)(曲线5d、 5D)中，单 单是第一次取光效率，就能够超过使w在0.4〃m以上且l〃m以 下的范围内使表面为镜面时的取光效率。图5 (b)示出了使相位差为90度的结果，第一次、第二次取光效率分别由曲线5d'、 5D' 显示出来，使相位差为90度的第一次、第二次取光效率都不如相 位差是180度时(曲线5d、 5D)的好，由此可知相位差的最佳值 是180度。 就这样，第六实施方式由移相器构成表面结构13，与现有技 术相比所得到的取光效率就高；与第一实施方式一样，还能够收 到以下效果不会因方位不同而产生光强度的强弱分布，色彩也 就不会失去平衡，而且，能够实现取光效率的大幅度提高，还能 够抑制外界像的映入等。 (第七实施方式)
参考图8说明第七实施方式。此外，第七实施方式^f又有表面 结构的图案与第一实施方式不同，其它结构都和第一实施方式一 样，省略对共同结构做说明。 图8 (a)示出了该实施方式中第一表面结构23的图案。如 图8 (a)所示，将透明基板5的表面分割为一条边的边长为w的 正三角形(微小区域(5)，将一个一个的微小区域5是凸(图中的 23a (微小区域Si)、灰色的图形)还是凹(图中的23b (微小区 域(52)、白色的图形)的比率各自设定为50%，随机地分配凹与 凸，即得到了第一表面结构23。 w在2. 25〃m以下。 另一方面，图8 (b)示出了该实施方式中第二表面结构33 的图案。如图8 (b)所示，将透明基板5的表面分割为一条边的 边长为w的正六角形(微小区域5)，将一个一个的图形是凸(图 中的33a (微小区域Si)、灰色的图形)还是凹(图中的33b (微 小区域(52)、白色的图形)的比率各自设定为50%,随机地分配 凹与凸，即得到了第二表面结构33。 w在O. 93//m以下。 此外， 一般而言，图形大小的条件是与该图形最大内切圆 的直径在0. 2〃m以上且1. 5〃m以下。 第七实施方式中，仅有表面结构23、 33的图案形状与第一实 施方式不同，原理、作用及效果都与第一实施方式一样。而且，并不限于将透明基板的表面分割为正三角形、正六角形，只要是 能够无间隙地用同样的图形进行面积分割即可，可以是任意的多 角形。 此外，在从第一到第七实施方式中，实际的加工体中的表面
结构13、 23、 33不是严格意义上的正方形、正三角形、正六角形， 角部变圓，角度变圓的微小区域的相邻微小区域的角部也相应地 产生变形，但特性不会有变化，能够收到相同的效果，这是毋容 置疑的。将第二到第六实施方式应用到第七实施方式中，也能够 收到与第二到第六实施方式一样的效果。 (其它实施方式)
上述各个实施方式是本发明的示例，本发明并不限于这些示 例。在以上各个实施方式中，与表面结构的凸部的表面垂直的截 面形状并不限于矩形，也可以是梯形、圓锥形状等，也可以由曲 线形成凸部的斜面。 在透明基板5的厚度很厚的情况下，取光的次数每增加一次， 光的射出位置就从发光点S的位置远离一下。在该情况下，象用 于显示屏的EL那样以300 // m左右的像素为单位分割的结构中， 光会混入相邻的像素中，引发图像质量恶化。因此，能够想到的 结构如图9 (a)所示。即，形成有表面结构13的透明基板5构 成为几微米左右，很薄，在透明基板5之上夹着空气层由0. 2mm 到0. 5mm左右的保护基板14覆盖起来。在保护基板的表面14a、 背面14b不会发生全反射，但需要进行防止反射的涂敷(AR涂敷)。 此时，在表面结构13的上方可以采用由气凝胶等低折射率且透明 的材料形成的层代替空气层，因为此时是一体结构，所以装置的 稳定性高。
在以上各个实施方式中，仅在一个面上形成有表面结构13， 还能够在透明基板5的两面形成同样的结构；还可以将普通的衍 射光栅13'布置在表面结构13和发光点S之间。此时能够想到 的结构如图9 (b)所示，使透明基板5成为薄膜形状，在透明基
40板5的表面形成表面结构13,在背面形成衍射光栅13'、不同规 格的表面结构13"，夹着粘接层21将透明基板5粘接在发光体 一侧。在透明基板5的折射率小，与发光层3之间的折射率差在 0. 1以上的情况下，若选摔比发光层3的折射率小0. 1或者比0. 1 小得更多的材料作粘接层21的材料，几乎就不会在粘接层21与 发光层3的边界面发生全反射，并且，也能够利用表面结构13'' (或衍射光栅13')以及表面结构13避免在粘接层21与透明基 板5之间的折射面、透明基板5与空气6之间的折射面发生全反 射。此外，优选衍射光栅13'、 表面结构13"的凹部的深度或 者凸部的高度的条件是在凹部的透过光和在凸部的透过光产生 相位差；r，但凹部的深度、凸部的高度可以比上述值为小。
此外，作为参考，图10中示出了表面结构呈现黑白相间的方 格花紋(方格形状)的图案。图10中示出的表面结构是这样的， 将透明基板5的表面分割为 一边的长度为w的正方形，灰色的正 方形13a和白色的正方形13b形成方格图案，灰色为凸，相对地 白色为凹。 图11是说明图10中所示的表面结构的透光率t对入射角的 依赖性的说明图，图11中的条件与图5 (a)中的相同，凹凸的 高度差d二0.70。该图11中示出的是以下情况以表面结构的宽 度w为参数(w:O. 1、 0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0、 2.0、 4.0,)， 在透明基板5内光量为1的光以角0 (与折射法线所成的角度) 入射到表面结构后，第一次有多少射出到空气6层一侧。与表示 随机图案的特性的图3 (a)相比可知图11中，除了 w二O. 1、 0.2 /im (所谓的不产生衍射光的纳米结构的区域)的曲线以外，其它 曲线上都存在很细的波浪。这是由于方格图案造成了衍射，该衍 射造成衍射光产生在空气层一侧或消失在空气一侧。这表明方 位不同而产生光强度的强弱分布，这是周期图案固有的问题。
图5 (b)中附带显示出呈现该方格形状的表面结构和呈现图 17 (b)所示的锯齿状排列的方格结构(口w部分成为凹的一侧)的表面结构的第一次及第二次取光效率(d=0. 70//m，分别是曲线 5e、 5f、 5E、 5F)沿对角线方向排列的方格状图案的第二次取光 效率变大与在图27中介绍的现象一样，因为在沿对角线方向排列 的方格图案下成为凸的比率PK). 75。与随机图案所显示出的特性 相比，方格图案、锯齿状图案都显示出伴随着w的变化而出现波 浪的特性，这也是周期图案固有的问题，与光强度的强弱分布受 方位的影响而存在有关。 图30 (a)、图30 (b)附带示出了从方格图案的表面结构射 出的第一次取光对视角的依赖性的解析结果。条件是高度差 d=0.70//m，边界宽度FO. 5〃m，图30 (a)中波长A二O. 450//m， 图30 (b)中波长;1=0. 635/zm。由图30 (a)和图30 (b)可知 相对于偏角，实线(0度、90度的经度方位)、虛线(45度、135 度的经度方位)变动大，二者的乖离也大，而且在某些波长下形 状变化大。与专利文献1中记载的发光装置一样，方位不同而产 生光强度的强弱分布，色彩就失去平衡是周期图案致命的缺点。 这些问题在第一到第七实施方式中全部解决。 边界衍射效杲在使光的相位不连续的部分相隔 一 定间隔以上 的情况下发生。为了使该效果成为极大值，就需要使相位不连续 的部分在有限的面积内出现的比率为极大值。若将折射面分割为 无数的微小区域，在微小区域之间的边界相位不连续，所述出现 的比率就会在下迷两个条件下被极大化。第一个条件是尽量使 各个微小区域的面积大小一样；第二个条件是在相邻的微小区 域之间也存在相位差。也就是说，若一个微小区域内的面积比任 何其它微小区域的面积都大，对该大面积进行分割，相位不连续 的边界就会增多。相反，若一个微小区域内的面积比任何其它微 小区域的面积都小，则说明其它微小区域的面积比该微小区域的 面积大，对该其它微小区域进行分割，相位不连续的边界就会增 多。作为其延长线，尽可能地使各个微小区域的面积相等，至少 各个微小区域的面积在基准面积的0. 5 —1. 5倍的范围内(与微小区域最大内切圓的直径在基准直径的0. 7—1. 3倍的范围内)，就
会使微小区域间的边界线的出现比率极大化。第一到第七实施方 式遵守该条件。还有，即使能够使对微小区域的分割极大化，只 要相邻微小区域的相位一致，效果也会减弱。因此，也需要在相 邻微小区域之间存在相位差。也就是说，需要分配随才几的相位。 第四、第五实施方式等遵守该条件。也就是说，所迷实施方式中
的发光装置，不是因为具有专利文献2所记载的发光装置那样的
防止反射的效果而实现了取光效率的提高，而是因为具有了使边 界衍射效果极大化的效果才实现了取光效率的提高。 此外，第一到第七实施方式中的表面形状与毛面玻璃 (frosted glass)、粗糙表面等的表面形状、专利文献2中所记 载的发光装置中的表面状态不同。在第一、第四以及第七实施方 式中，将表面分割为宽度w的棋盘的目(或者多角形的目)，将凸 和凹按1:1的比率分配给每一个目。该图案中存在固有宽度w这 样的尺度和固有的微小区域的形状，凸部的总面积和凹部的总面 积的比率也是1:1的关系。相对于此，毛面玻璃、粗糙表面等的 表面形状不存在固有的宽度，微小区域的形状也未定，凸部的总 面积和凹部的总面积的比率也并非会成为1:1的关系。在第二实 施方式中，让凸和凹的比率从5096错开，凹部的总面积与凸部的 总面积的比率也不是l:l 了，但依然存在固有的宽度w，凹部的 总面积与凸部的总面积的比率也还是一个规定的值，与百分之百 随机的图案不同。第三、第五实施方式中也存在固有的宽度w， 每一个用该宽度w定义的棋盘的目(或多角形的目)高度差都相 亙不同。因此，可以说，所迷实施方式中的表面形状，并不是完 全随机的图案，而是遵守某一规则的随机图案。 稍微考察一下与完全随机的图案的不同。如图12 (a)所示， 宽度4w的桌子16上随机地排列有8张宽度是w的牌17。也就是 说，8张牌17的总面积是桌子16的面积的1/2。但假定牌17 不从桌子16越出来。图12 (b)示出的是允许牌17重叠着排列
43的情况。图12 (C)示出的是不允许牌17重叠着排列的情况。在
图12 (b)中，牌的面积总和由于牌17有重叠而小于桌子面积的 1/2。面积比离开某一比率，取光效率就会恶化这一情况已由图 27中的曲线27a、 27A示出。在图12 (c)中，面积比维持在1/ 2，但在牌之间产生了比w小的微小间隙j,这一点图12 (b)也 一样。若产生微小间隙j,其频率变大，则能够将该j看作新的 边界宽度。由图6可知，在j《0. 1/zm的条件下，取光效率会大 大地恶化。如图27所示，微小凹凸结构的比率Pi增大(wi=0. 1 Win结构的比率Pi按照曲线27a、 27c、 27d的顺序依次为0. 0、 0.1、 0.2增大)，即使合计的成为凸的比率相同，第一次、第二 次取光效率也都会恶化。仅这样形成完全彻底的随机图案，是不 可能成为使取光效率成为最大的条件的。 所述实施方式中所用的随机图案的生成原理与图12所示的 生成原理不同。在上述各个实施方式中，不会出现面积比被维持 在某一比率上，微小间隙j等比宽度w小的尺度。于是，可以说， 所述实施方式中的表面形状，并不是完全彻底的随机图案，而是 遵守用以使取光效率极大化的规则的随机图案。 第一到第七实施方式中的表面形状所引起的现象是衍射现象 之一。如图18所示，在衍射现象下，将假想地相对使表面形状平 均的平坦基准面折射的光线定为0级衍射光(全反射时不会出 现)，在以该光为方位的基准而位移后的方位产生高级衍射光。在 该申请那样的随机的表面形状下，0级以外的衍射光的传播方位 随机。相对于此，毛面玻璃、粗糙表面不是衍射现象，而是折射 现象之一。在凹凸不平的折射面其表法线的方位随机，折射的方 位也随机，仅此而已。也就是说，在平行平板上形成第一到第七 实施方式中的表面形状，透过该表面看去，能够非常清楚地看到 相反一侧的像的轮廓。这是因为在该表面形状下衍射分离的光中 一定存在0级衍射光，该0级衍射光维持了相反一侧的像的轮廓。 相对于此，在毛面玻璃、粗糙表面下，不存在相当于O级衍射光的光，透过该表面看去时，相反一侧的像的轮廓是模糊不清的。 专利文献2中仅仅有由于表面突起物的存在光"很顺从地放射到 空气中"这样的描述，没有衍射这样的描述，"顺/人地"这一词语 能够解释为是遵守斯内尔定律(折射定律)，从意思上可以理解为 与毛面玻璃、粗糙表面等属于同类，能够说与本申请中的发明是 绝然不同的。 顺便提一下，专利文献2中所公开的技术的特征是，将多个 透明的突起物完全随机地布置在透明绝缘基板上。本申请的下述 特征，即凸部与凹部是形状相同的微小区域， 一个以上的该微小 区域构成了一个集合体，且使凸部与凹部的存在比率为特定的比 值，在该专利文献2中既没有任何记载，也没有任何暗示。本申 请的特征是，例如，在第一实施方式中，将凹部与凸部对调后所 得到的结构或者将微小区域的高度、深度对调后所得到的结构， 基本上都还是原本的结构。但专利文献2中所记载的发光装置却 不会是这样的。由这样的示例的实施方式中的特征收到了显著的 取光效果是本申请发明人首次发现的，专利文献2中没有记载上 述实施方式那样的显著效果。在专利文献2所记载的发光装置中， 宽度0. 4//m以上且20//m以下的突起物以每单位面积5000-106 个/咖2的个数完全随机地布置好，从形式上看上述实施方式中的 发光装置有一部分包括在该发光装置中，但突起物与突起物以外 的部分之间的形状关系、存在比率关系、以及由于这样的关系的 存在首次收到的效果等，在专利文献2所记载的发光装置中既没 有什么记载，也没有任何暗示。可以说，上迷实施方式实质上并 不包括在专利文献2中所公开的技术中，专利文献2中所公开的 发明与本申请发明是完全不同的两个发明。 此外，在第一到第六实施方式中，利用凹凸形状使光的相位 位移。除了凹凸形状以外，釆用下述做法也能够实现相位的位移。 例如，在对应于凹部的区域和对应于凸部的区域改变多层膜的厚 度、折射率条件等，即能够实现相位的位移。不言而喻，在该情
45况下也能收到与上述各个实施方式一样的效果；第一到第七实施
方式并不是独立存在的，将各个实施方式的一部分組合起来构成
一个新的实施方式，这也是能够想到的；在第一到第七实施方式 中以有机EL元件为例进行了说明，该元件只要是在折射率大于1 的介质内发光的元件该发明就适用。该发明对例如LED、导光板 等都适用；发光装置射出光的介质并不限于空气。所述实施方式 的表面结构在以下情况适用。透明基板的折射率比透明基板所接 触的的介质的折射率大的情况，特別是透明基板的折射率比透明 基板所接触的介质的折射率大出0. 1以上的情况。 一工业实用性一 综上所述，本发明所涉及的发光装置使取光效率大幅度地提 高，而且，射出光的视角特性也良好。因此，本发明所涉及的发 光装置作为显示屏、光源等用处很大。
权利要求
1、一种薄膜，使用时让该薄膜的一个面与发光体相邻接，该薄膜透明，其特征在于该薄膜的另一个面假想地被最大内切圆的直径在0.2μm以上且1.5μm以下的多个微小区域δ分割，且一个该微小区域δ与其它多个该微小区域δ相邻且被其它多个该微小区域δ包围，所述多个微小区域δ由以40％以上且98％以下的比率从该多个微小区域δ中选出的多个微小区域δ1、和除了该多个微小区域δ1以外的多个微小区域δ2构成，所述微小区域δ1，相对于与所述另一个面平行的规定的基准面朝着所述另一个面的上方突出，突出高度是d/2，所述微小区域δ2，相对于所述规定的基准面朝着所述另一个面的下方凹陷，凹陷深度是d/2，所述规定的基准面位于所述微小区域δ1和所述微小区域δ2的在与所述另一个面垂直的方向上的中间位置，所述d在0.2μm以上且1.4μm以下。
2、 一种薄膜，使用时让该薄膜的一个面与发光体相邻接，该薄膜透 明，其特征在于该薄膜的另一个面假想地被最大内切圆的直径在0. 2/im以上且1. 5 //m以下的多个微小区域5分割，且一个该微小区域5与其它多个该微小 区域5相邻且被其它该多个微小区域5包围，所述多个微小区域5中的每一个微小区域(5 ，以相对于与所述另一 个面平行的规定的基准面而言范围在O以上且d/2以下的随机高度位于 上方或者范围在0以上且d/2以下的随机深度位于下方，所述规定的基准面，在存在于与所迷另一个面垂直的方向上的最高 位置的所述微小区域5和存在于最低位置的所迷微小区域5的中间位置 上，所述d在0. 2//m以上且1. 4//m以下。
3、 一种薄膜，使用时让该薄膜的一个面与发光体相邻接，该薄膜透明，其特征在于该薄膜的另一个面假想地被最大内切圆的直径在0. 4//m以上且1.0 /zm以下的多个微小区域5分割，且一个该微小区域(5与其它多个该微小 区域5相邻且被其它该多个微小区域5包围，所迷多个微小区域5由多个微小区域51和除了该多个微小区域51以外的多个微小区域(？2构成，所迷微小区域5 i和所述微小区域5 2，使垂直于所述一个面入射的光 中透过所述微小区域(51的光和透过所述微小区域52的光之间产生180 度的相位差。
4、 根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的薄膜，其特征在于 所述微小区域5是多角形且该多角形的形状互相完全相同。
5、 一种发光装置，包括发光体和设置在该发光体的发光面上的透明 保护层，其特征在于所述保护层的与所述发光面相邻的面的相反一侧的面，假想地被最 大内切圓的直径在0. 2〃m以上且1. 5m以下的多个微小区域5分割， 且一个该微小区域5与其它多个该微小区域(5相邻且被其它多个该微小 区域5包围，所述多个微小区域5由以40%以上且98%以下的比率从该多个徵小 区域5中选出的多个微小区域(5 i、和除了该多个微小区域51以外的多个徵小区域52构成，所述微小区域Si，相对于与所述另一个面平行的规定的基准面朝着 所述另一个面的上方突出，突出高度是d/2,所述微小区域(5 2，相对于所述规定的基准面朝着所述另一个面的下 方凹陷，凹陷深度是d/2，所述规定的基准面位于所述微小区域Sl和所述微小区域(？2的在与所迷另一个面垂直的方向上的中间位置，所述发光体发出光谱的中心波长是;i的光，所述保护层的折射率是ni，所述保护层在所迷相反一侧的面接触的介质的折射率是no， no比ni小，人/6 (ni-no) < d <入/ (m-no)。
6、 一种发光装置，包括发光体和设置在该发光体的发光面上的透明 保护层，其特征在于所述保护层的与所述发光面相邻的面的相反一侧的面，假想地被最 大内切圆的直径在0. 2/zm以上且1. 5//m以下的多个微小区域<5分割， 且一个该微小区域5与其它多个该微小区域5相邻且被其它该多个微小 区域5包围，所述多个微小区域5中的每一个微小区域5 ，以相对于与所述另一 个面平行的规定的基准面而言范围在O以上且d/2以下的随机高度位于 上方或者范围在0以上且d/2以下的随机深度位于下方，所述规定的基准面，在存在于与所述另一个面垂直的方向上的最高 位置的所述微小区域(5和存在于最低位置的所述微小区域5的中间位置 上，所述发光体发出光i普的中心波长是A的光，所述保护层的折射率是m，所述保护层在所述相反一侧的面接触的 介质的折射率是no， no比ni小，A/6 (ni-no) < d 〈入/ (ni-no)。
7、 一种发光装置，包括发光体和设置在该发光体的发光面上的透明 保护层，其特征在于所述保护层的与所述发光面相邻的面的相反一侧的面，假想地被最 大内切圓的直径在0. 4/zm以上且1. O^m以下的多个微小区域S分割， 且一个该微小区域5与其它多个该微小区域5相邻且被其它该多个微小 区域5包围，所述多个微小区域(5由多个微小区域51和除了该多个微小区域(5 i以外的多个微小区域52构成，所述微小区域51和所述微小区域(5 2，使从所述发光体垂直入射到所 迷保护层的与所迷发光面相邻的面的光中透过所述微小区域Si的光和 透过所迷微小区域5 2的光之间产生180度的相位差。
8、 根据权利要求5或6所述的发光装置，其特征在于 所述介质是空气。
9、 根据权利要求5或6所述的发光装置，其特征在于 所述介质是气凝胶。
10、 根据权利要求5、 6、 8以及9中任一项权利要求所述的发光装 置，其特征在于当所迷发光体的发光部分的折射率是n2时，n2 — m〈0. 1。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜及发光装置。发光装置具有在透明基板(5)表面的表面结构(13)，用最大内切圆的直径在0.2μm以上且1.5μm以下的微小区域假想地无间隙地对该透明基板(5)进行分割，各个微小区域在透明基板(5)的表面上呈凸形状或凹形状，是凸还是凹的比率分别为P、1-P，P在从0.4到0.98的范围内。因此，本发明提供一种薄膜及发光装置，让临界角以上的对透明基板的入射光射出，实现取光效率的大幅度提高，同时，防止外来光映入，抑制方位不同产生光强度的强弱分布，色彩失去平衡等。
文档编号H05B33/02GK101578537SQ20088000150
公开日2009年11月11日 申请日期2008年11月12日 优先权日2007年11月13日
发明者西胁青儿 申请人:松下电器产业株式会社