專利名稱：光學器件和使用該光學器件的顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種引入平面形入射光并且顯示希望的圖像的平板形光學器件，和使用該光學器件的顯示裝置，特別是一種在如廣告布告板或燈光布告板之類的顯示裝置中使用的多功能光學器件。
首先，已知有這樣一種結構的顯示裝置，如圖25(a)中所示，在一個光源箱73中布置了多個諸如熒光燈之類的發(fā)光構件75，在光源箱73的內表面上安裝有一種散射反射構件71，來自這些發(fā)光構件75的光穿過一個散射板77照射到一個透射圖像膜79上，從而顯示預先記錄在透射圖像膜79上的圖像。在這種顯示裝置中，透射圖像膜79的圖像部分79a具有光透射性，因此，如圖25(b)中所示，來自發(fā)光構件75的光作為圖像輸出光輸出；另一方面，在透射圖像膜79的對應于圖像陰影的不透明部分79b，來自發(fā)光構件75的光被形成不透明部分79b的吸收劑(例如，顏料或染料)吸收。由于這種原因，可以表現圖像的明暗和色調，這使得能夠根據透射圖像膜79的圖像質量顯示圖像。
在另一種結構的顯示裝置中，如圖26中所示，透射圖像膜81僅粘結在顯示裝置的需要圖像顯示的部分上，即，在顯示裝置的圖像輸出部分上，散射板77散射來自發(fā)光構件75的光，并且把圖像輸出光從顯示裝置的粘結有透射圖像膜81的區(qū)域輸出，從而顯示透射圖像膜81的圖像。根據這種結構的顯示裝置，可以在任意位置中顯示需要的圖像。
但是，在圖25所示的顯示裝置中，由于照射在透射圖像膜79的不透明部分79b上的光被形成不透明部分79b的顏料或染料之類的吸收劑吸收，降低了顯示裝置的光利用率。因此，相對于消耗的總能量，圖像顯示所消耗的能量很少，這造成了現有顯示裝置提供了一種低能量效率的顯示系統(tǒng)的問題。
此外，在圖26所示的顯示裝置中，來自發(fā)光構件75的光透過顯示裝置的不是圖像輸出部分的其它部分，這大大降低了要顯示的圖像的質量。為了顯示高質量的圖像，必須把不透明吸收構件設置在其它部分中，用作顯示裝置的不是圖像輸出部分的陰影，并且也必須利用印刷裝置制備一種特殊的透明圖像膜。以這種方式，為了獲得高質量圖像顯示，使得現有顯示裝置的制造過程復雜化。
本發(fā)明致力于消除常規(guī)顯示裝置中出現的上述缺陷。因此，本發(fā)明的一個目的是要提供一種提高了能量效率并且能夠提供高質量圖像顯示的光學器件，和一種使用這種光學器件的顯示裝置。
根據本光學器件，引入的平面形入射光的至少一部分在全反射光學構件的全反射表面上被全部反射，并因而返回到光學器件的入射光進入側，從而能夠實際上防止引入到光學器件的入射光被發(fā)射到入射光的光路的前側部分。另一方面，在和從布置了光耦合元件的希望的位置，由于破壞了全反射光學構件的全反射條件，入射光被光耦合元件連接，并隨后從全反射光學構件的全反射表面發(fā)射到入射光的光路的前部。由此，可以提供一種只有在光學器件布置了光耦合元件的位置上，入射光才能被發(fā)射到入射光的光路前側部分的光學器件。因此，可以以平面形形式直接引入平面形入射光，這不僅使得光學器件能夠以提高的能量效率發(fā)射光，而且也使得能夠任意地設置光耦合元件的安裝位置，從而能夠在全反射光學構件的任意位置上高質量地顯示希望的圖像。
(2)此外，根據本光學器件，上述全反射光學構件包括用于改變上述平面形入射光的光路的光學元件。
在該光學器件中，將用于改變平面形入射光的光路的光學元件設置在光學器件內，并且將入射光以平面形引入到用于改變入射光的光路的光學元件中。改變光路的光學元件在一個特定方向上，或任意的方向上，改變所引入的平面形入射光的光路，從而使改變了光路的全部入射光基本上被構成光學器件的各層的界面完全反射。
(3)此外，根據該光學器件，上述全反射光學構件包括用于選擇上述平面形入射光的光路的光學元件。
在本光學器件中，用于選擇平面形入射光的光路的光學元件設置在光學器件中，并且將入射光以平面形引入到用于選擇入射光的光路的光學元件中。在這樣引入平面形入射光的情況下，僅有特定方向上的入射光被用于選擇光路的光學元件透射，因而實際上所有如此透射的入射光被構成本光學器件的各層之間的界面全部反射。
(4)此外，根據本光學器件，上述全反射光學構件以從平面形入射光的引入側開始的順序包括用于改變平面形入射光的光路的光學元件和用于選擇平面形入射光的光路的光學元件。
在本光學器件中，用于改變平面形入射光的光路的光學元件和用于選擇平面形入射光的光路的光學元件是在光學器件的厚度方向上以從入射光引入側開始的順序設置的；并且將入射光以平面形引入到用于改變光路的光學元件中。在引入入射光的情況下，改變光路的光學元件在特定的方向上或任意方向上改變其光路，并且進一步僅有特定方向上的入射光被選擇光路的光學元件透射，從而實際上所有引入到本光學器件中的入射光被構成本光學器件的各層之間的界面全部反射。
(5)根據本光學器件，每個上述光耦合元件包括用于改變本光耦合元件取出的光的光路的光路改變單元。
在本光學器件中，通過改變由光耦合元件取出的光的光路，可以將要從光學器件發(fā)射的光在特定方向上會聚或散射。
(6)根據本光學器件，上述光路改變單元通過折射改變取出光的光路。
在本光學器件中，由于通過折射改變了從光耦合元件取出的光的光路，因而可以在保持光量不變的同時，改變光的光路。
(7)根據本光學器件，光路改變單元包括透鏡陣列、棱鏡陣列、和折射率分布透鏡體中的任何一個。
在本光學器件中，通過適當地選擇由適合于批量制造的透鏡陣列、棱鏡陣列、和折射率分布透鏡體中的任何一個構成的光學元件，不僅可以降低光學器件的成本，而且光學器件也可以實現優(yōu)良的特性。
(8)根據本光學器件，光路改變單元通過折射改變取出光的光路。
在本光學器件中，由于從光耦合元件取出的光的光路是通過折射改變的，因而可以高精度地設置光的光路。
(9)根據本光學器件，光路改變單元包括體積全息照相、調相型衍射光柵、和調幅型衍射光柵中的任何一個。
在本光學器件中，根據，例如，光聚合物法或注射模制法，可以實現大批量生產，因而可以降低光學器件本身的成本。
(10)根據本光學器件，光路改變單元通過光散射或光分散改變取出光的光路。
在本光學器件中，由于從光耦合元件取出的光的光路是通過光散射或光分散改變的，因而可以在任意方向發(fā)射該取出光。
(11)根據本光學器件，光路改變單元包括多孔體、不同折射率分散構件或分布體、和其表面具有不平(凸面和凹面)部分的光散射或光分散體中的任何一個。
在本光學器件中，通過適當地選擇適合于批量制造的多孔材料構成的片、具有不同折射率的分散或分布材料構成的片、和光散射或光分散片，可以降低光學器件本身的成本。
(12)根據本光學器件，光耦合元件包括能夠吸收和發(fā)射光耦合元件取出的光的特定波分量的特定波分量吸收單元。
在本光學器件中，由于吸收和發(fā)射光耦合元件取出的光的特定波分量，因而即使在相同種類的入射光的情況下，也可以有選擇地得到具有多種顏色的發(fā)射光。
(13)根據本光學器件，光耦合元件包括通過接收該取出光激發(fā)的從而發(fā)射光的光發(fā)射單元。
在本光學器件中，由于它包括可以由取出光激發(fā)從而發(fā)射光的光發(fā)射單元，因此可以具有根據光發(fā)射單元顯示的顏色有選擇地得到的多種顏色的發(fā)射光。
(14)根據本光學器件，一個將全反射光學構件反射的并且返回到光學器件的入射光引入一側的入射光再引入到光學器件的反射層設置在全反射光學構件的入射光引入側。
在本光學器件中，由于在一種具有全反射表面的介質中將由全反射光學構件反射的入射光返回到光學器件的入射光引入側，因而可以實際上消除光引入、光存儲、和光限制；此外，由于提供了反射層，反射層將引入到光學器件中并且反射的入射光反射到光路前部，并且因而再次引入到光學器件中，從而使光再循環(huán)，因此可以提高光利用率，和因此提高了光學器件的效率。
(15)此外，根據本發(fā)明，提供了一種顯示裝置，包括本發(fā)明上述(1)-(14)方面中的任何一個指出的光學器件；和，一個設置在光學器件的入射光引入側的平面光源，其特征在于，來自平面光源的光被引入到光學器件，并且發(fā)射上述光耦合元件從上述全反射光學構件取出的光，從而顯示圖像。
根據本顯示裝置，通過將來自平面光源的平面形光引入到包括光耦合元件的光學器件中，在提高了其能量效率的同時，可以高質量地將希望的圖像顯示在任意的位置上。
(16)根據本顯示裝置，每個上述光耦合元件是一個記錄了圖像的并且也具有透射特性的透明圖像膜。
根據本顯示裝置，通過使用透射圖像膜作為光耦合元件，可以根據記錄在透射圖像膜中的圖像來顯示圖像，從而可以簡單地和高質量地顯示圖像。
(17)根據本顯示裝置，每個光耦合元件包括熒光物質，并且平面光源發(fā)射分別包括一種可以激發(fā)熒光物質的波長的光。
根據本顯示裝置，例如，通過發(fā)射UV光的平面光源激發(fā)光耦合元件的熒光物質以發(fā)射光，由此可以根據熒光物質的排列圖形顯示圖像。
(18)根據本顯示裝置，在光耦合元件的光路的前部，設置了一個用于吸收具有一種光發(fā)射波長的光的濾光器。
根據本顯示裝置，在光源的光發(fā)射波長在可見光波長范圍的情況下，通過把吸收可見光的濾光器設置在光耦合元件的光路的前部，即使在明亮的場合，也能得到高對比度，并且可以高質量地顯示圖像。此外，在每個光耦合元件包括熒光物質的情況下，由于濾光器允許熒光物質發(fā)射的光的部分通過，而吸收了包括受激發(fā)光在內的其它剩余光分量，可以高對比度地顯示圖像。
(19)根據本顯示裝置，在光耦合元件的光路的前部，設置了一個用于屏蔽激發(fā)光的濾光器。
根據本顯示裝置，例如，當使用UV光源時，防止了將UV光源的UV光發(fā)射到顯示側(觀看者一側)。
(20)根據本發(fā)明的光學器件的第二實施例，在全反射光學構件的全反射表面與光耦合元件之間，設置了一個反射熒光物質的發(fā)射波長分量并且允許入射光的波長分量透射的濾光器。
根據本顯示裝置，入射光透過該濾光器，并且照射在熒光物質上，從而引起熒光物質發(fā)射它們的光。在熒光物質發(fā)射的光中，濾光器把向其光路后部發(fā)射的光反射到光路的前部，因而從顯示裝置發(fā)射。這提高了顯示裝置的光利用率，從而顯示裝置能夠高以更高的亮度顯示圖像。
(21)根據本顯示裝置，濾光器包括一種介質多層膜的光干涉濾光器。
根據本顯示裝置，由于使用了介質多層膜，因而可以利用具有大面積的簡單結構形成一個任意波長選擇反射膜，因此，通過利用依賴于波長選擇反射膜的反射波長對入射角度，可以容易地形成一個濾光器。
(22)根據本顯示裝置，濾光器是包括膽甾醇型液晶的布喇格(Bragg)反射濾光器。
根據本顯示裝置，由于使用了包括膽甾醇型液晶的布喇格反射濾光器，可低成本地形成濾光器。
(23)根據本顯示裝置，入射光的波長設置在350nm-400nm的范圍。
根據本顯示裝置，由于將入射光的波長設置在350nm-400nm的范圍，可以使用低成本的光學構件，并且也可以提高熒光物質的光發(fā)射亮度，從而能夠顯示高亮度的圖像。
(24)根據本顯示裝置，每種熒光物質發(fā)射一種可見光。
根據本顯示裝置，由于熒光物質發(fā)射一種可見光，因而，從一個UV光的光源，可以高效率地執(zhí)行可見光顯示。
(25)根據本顯示裝置，熒光物質包括分別發(fā)射可以根據要顯示的圖像組合在一起的紅、綠和藍光的光發(fā)射物質。
根據本顯示裝置，由于熒光物質分別發(fā)射紅、綠和藍光，通過根據顯示圖像將光發(fā)射物質組合在一起，可以顯示全色圖像。


圖10示出了在一個光學器件的各界面中，入射角與光學器件的各介質的平均折射率之間的關系，在這個光學器件中，以這樣的順序設置了一個用于改變光路的光學元件、一個用于選擇光路的光學元件、一個透明介質u、一個透明介質v、和一個位于一個全反射表面的前側的透明介質w；圖11是照射在選擇光路的光學元件上的入射光的入射角的示意圖；圖12是選擇光路的光學元件的光譜透射率相對于入射光的波長變化的曲線圖；圖13是選擇光路的光學元件的內部和外部光路的示意圖；圖14示出了一個通過折射改變入射光的光路的光耦合元件；更具體地講，圖14(a)是一個透鏡陣列的示意圖，圖14(b)是一個棱鏡陣列的示意圖，和圖14(c)是一個顯示折射率分布透鏡構件的示意圖；圖15示出了用于散射或分散其取出的光的光耦合元件；更具體地將，圖15(a)是一個多孔材料構成的片的示意圖，圖15(b)是一個其中分散或分布了具有諸如高折射率顆粒之類的不同折射率的材料的片的示意圖，和圖15(c)是一個包括一個不平表面的光散射板或光分散片的示意圖；圖16是根據本發(fā)明的第一實施例的第一改進的結構圖，其中用于選擇光路的光學元件是由液晶膜構成的；圖17是上述用于選擇入射光的光路的光學元件給出的光譜透射率的曲線圖；圖18是根據本發(fā)明的第一實施例的第二改進的結構圖，其中全反射光學構件是由棱鏡構成的；圖19是上述全反射光學構件的剖面結構圖；圖20是根據本發(fā)明的光學器件的第二實施例的結構圖；圖21是根據本發(fā)明的一個顯示裝置的結構圖；圖22是一種其中用于吸收具有存在在一個光源的光發(fā)射區(qū)中的一種波長的光的濾光器設置在一個光耦合元件的光路的前部的結構示意圖；圖23是一種其中用于屏蔽熒光物質的受激發(fā)射光的濾光器設置在光耦合元件的光路的前部的結構示意圖；
圖24示出了全反射光學構件的結構的其它一些例子，具體地講，圖24(a)至24(e)分別示出了這些例子；圖25示出了諸如普遍使用的廣告布告板或燈光布告板之類的常規(guī)顯示裝置的結構，和顯示裝置的顯示狀態(tài)；和圖26是其中透射圖像膜僅粘結到圖像輸出部分的常規(guī)顯示裝置的結構圖。
此外，在附圖中，參考號3代表全反射光學構件，4代表光耦合元件，6代表濾光器，10代表用于改變入射光的光路的光學元件，12、13代表用于選擇光路的光學元件，14代表一種透明介質，16代表一種透明介質(空氣)，20代表一種具有不同折射率的物質，22、52、58代表全反射表面，26代表一個透明電極，28代表一個定向層，30代表一個膽甾型液晶層，36代表一個光連接介質、50代表一個微棱鏡陣列，54代表一個棱鏡，56代表一種透明介質，60代表一個平面光源，62代表一個散射反射構件，68代表一個濾光器，69代表一個濾光器，100、200代表光學器件，300代表一個顯示裝置，θ0、θ1、θ2、θ3代表入射角，θc代表全反射臨界角，和λ代表波長。
圖1示出了了根據本發(fā)明的光學器件的第一實施例的結構的示意圖。根據本實施例的光學器件100包括一個平板形全反射光學構件2，和設置在全反射光學構件2的與全反射光學構件2的入射光引入側相反一側的表面上、并且根據要顯示的圖像的形式彼此相鄰布置的光耦合元件4。全反射光學構件2是這樣形成的，當平面形入射光引入到光學器件100時，這樣引入的入射光被位于入射光的光路的前部的全反射光學構件2的表面(全反射表面22)完全地反射。并且，在全反射光學構件2的設置了光耦合元件4的區(qū)域中，入射光的全反射條件被破壞，從而使入射光連接到光耦合元件4中，然后被發(fā)射到其光路的前部。另一方面，在全反射光學構件2的全反射表面的沒有設置光耦合元件4的其它區(qū)域中，入射光被全部反射，從而實際上防止了入射光透射過全反射光學構件2。
光耦合元件4設置在全反射表面22上，以便使它們在希望的位置上粘結到全反射表面22；但是，也可以這樣設置它們，以便使它們足夠臨近全反射表面22。在把光耦合元件4與全反射表面22之間的距離設置為λ/10(λ代表波長)左右或更小的情況下，可以提供與光耦合元件4粘結到全反射表面22的情況相同的鄰域(adjacent-field)光耦合。
在把入射光引入到全反射光學構件2時，可以使用以平面形形式照射的光。入射光可以是平行光或散射光；并且，入射光可以是從全反射光學構件2外部引入的，或可以是從結合在全反射光學構件2內部的光源引入的。在平行光的情況下，可以把分別具有一種特定入射角度分量的入射光提供到全反射光學構件2，這使得能夠提高光學器件的光利用率。另一方面，在散射光的情況下，可以把來自不同方向的入射光引入到全反射光學構件2，這使得能夠使用任何低價平面形光源。此外，在把光源結合到全反射光學構件2的內部的情況下，由于從光源發(fā)射的光被直接引入到全反射光學構件2的內部，可以把光學器件和光源形成為一個完全的結合體，這使得不僅能夠減小光學器件的尺寸，而且能夠提高光學器件的光引入效率。另一方面，在把光源設置在全反射光學構件2的外部的情況下，可以提高光學器件100的設計自由度，并且也可以使用大尺寸的和任意的外部平面光源，從而可以容易地增大光學器件的輸出。
作為上述入射光，可以使用各自具有存在在一個包括覆蓋了紫外光、藍光或綠光之類的可見光、和紅外光的波長的特定波長區(qū)內的波形的光。
此外，可以使用以下的光源作為各種光源例如，電子管燈之類的放電燈，即，通常使用的并且可以不加改變地使用的其中包含惰性氣體或汞蒸汽的熒光燈或汞弧光燈，霓虹管燈，和克魯克斯(Crookes)管燈；可以從中容易得到平行光的激光束光源；便宜和具有固定波長區(qū)的LED；可以得到平面形光的無機或有機EL；發(fā)射用于根據使用濾光從而可以提供任意波長分量的白光的白熾燈；陰極射線燈，即，例如可以直接得到引入到光學器件中的平面形光的CRT之類的陰極射線顯示管；和FED(場致發(fā)射顯示器)，即，如陰極射線燈一樣，可以直接得到入射到光學器件中的平面形光的平板形顯示管。
以下詳細說明光學器件100的各個組成元件。
首先，在下面說明全反射光學構件2。
圖2示出了全反射光學構件2的結構的一種具體例子，全反射光學構件2具有一種多層結構，在這個多層結構中一個用于改變入射光的光路的光學元件10，一個用于選擇入射光的光路的光學元件12，和一個透明介質14以從全反射光學構件2的入射光引入側開始的順序相互疊置。在全反射光學構件2的透明介質14的光路前部，有一種透明介質16；并且適當地設定透明介質14的折射率n1(第一折射率)與透明介質16的折射率n2(第二折射率)之間的關系，以便能夠滿足作為透明介質14與透明介質16之間的界面的全反射表面22的全反射條件。更具體地講，例如，將透明介質14形成為一個玻璃基片(n1＝1.5)，而透明介質16是由空氣形成的(n2＝1.0)。順便說明一下，構成全反射構件2的各層實際上不吸收其波長范圍中的入射光，從而防止了入射光和全反射表面22全反射的入射光的損失；也就是說，各層可以構成一個高效率的光學構件。
改變入射光的光路的光學元件10是一種利用折射、衍射、光散射和光反射改變入射光的光路的光學元件。例如，可以使用以下各種光學元件作為光學元件10。在利用折射的情況下，使用了其中實際上不會降低入射光的強度的透鏡陣列，棱鏡陣列，和折射率分散體。在利用衍射的情況下，使用了如圖3中所示的透射型衍射光柵。更具體地講，使用了一種諸如體積全息照相之類的調相型衍射光柵和調幅型衍射光柵(見圖3(a))，和一種凸凹型衍射光柵(見圖3(b))，和一種折射率調制型衍射光柵；并且，在這些衍射光柵中，可以高精度地設定入射光的光路的角度。各光學元件可以根據，例如，光敏聚合物法或注射成型法批量制造。
另外，在利用光散射的情況下，使用了如圖4中所示的光散射片。更具體地講，使用了由多孔材料形成的片(見圖4(a))，其中分布或分散了具有不同折射率的材料20的片(見圖4(b))，和包括了一個不平整表面的、由光散射材料或光分散材料形成的片(見圖4(c))。此外，在利用光反射的情況下，使用了由一種以任意方向反射光的微反射材料之類的光分散材料形成的片。所有這些光學元件都適合于批量生產，因此可以容易地降低其成本。
構造用于選擇入射光的光路的光學元件12，以使這種光學元件12選擇并且從其發(fā)射的所有透射光具有比位于入射光的光路前部的各層的全反射臨界角更大的角度分量，而使具有其它角度分量的入射光被光學元件12有選擇地反射，從而不從光學元件12透過。也就是說，只有具有比作為造成在透明介質14與透明介質16之間的界面上全反射的條件的全反射臨界角度θc更大的角度分量的入射光被允許通過光學元件12，而防止具有其它角度分量的入射光通過光學元件12。順便說明一下，可以從下面的方程式(1)得到全反射臨界角θc。
θc＝sin-1(n2/n1)(1)作為選擇入射光的光路的光學元件12的結構的一個具體例子，可以使用一個由介質多層膜構成的光干涉濾光器。圖5示出了這種光干涉濾光器的層狀結構。
光干涉濾光器是由具有高折射率的材料和具有低折射率的材料彼此重疊構成的介質多層膜形成的。至于下面將詳細討論的光干涉濾光器的光學性質，光干涉濾光器具有根據波長有選擇地反射入射光的功能，并且也具有根據入射角造成要被有選擇地反射的光的波長向短波側移動的性質。假設將入射光的波長范圍表達為λiS-λiL(λiS＜λiL)，在選擇的要從光學元件12發(fā)射的透射光具有等于或小于全反射臨界角θc的發(fā)射角度的情況下，實際上所有具有存在在波長范圍λiS-λiL中的入射光被選擇反射。根據這種結構，可以形成一種大面積的、結構簡單的、并且能夠選擇任意一種波長的反射膜；此外，利用反射波長對入射光的入射角的依賴關系，可以容易地形成一種能夠選擇入射光的光路的光學元件12。
以下詳細說明上述光干涉濾光器的結構的一個例子，以及通過模擬得到的利用光干涉濾光器的這種結構的光學器件的光譜透射率的結果。
圖6示出了一個其中結合有一個光干涉濾光器的光學器件的結構的例子。在本例中，光學器件的構造為從入射光的引入側，一個用作改變入射光的光路的光學元件的光散射膜(折射率n＝1.5)，一個用作選擇光路的光學元件的介質多層膜，和一個玻璃基片(折射率n＝1.5)，以這樣的順序相互疊置。順便說明一下，在玻璃基片的光路前部，存在空氣(折射率n＝1.0)。
將介質多層膜形成為一種具有由TiO2/SiO2/.../SiO2/TiO2構成的29層結構的多層膜；并且，將各層的光學厚度設置為1/4λ(其中，波長λ＝440[nm])。此外，使用了具有波長λ＝350-400[nm]的UV光源作為發(fā)射入射光的光源。并且，在這種情況下，全反射臨界角θc實際上為40[度]。
當在上述條件下發(fā)現光學器件(介質多層膜)的光譜透射率時，得到了圖8和9中所示的結果。更具體地講，圖8是在入射角θ時，光譜透射率T相對于波長λ的變化的曲線圖；圖9是在波長為λ時，光譜透射率相對于入射角θ的變化的曲線圖。
如圖8(a)中所示，當入射角θ是0[度]時，在UV光源的波長范圍中的光譜透射率T實際上是0[％]，因而不允許入射光通過光學器件。如圖8(b)中所示，當入射角θ是剛好在全反射臨界角度θc之前的40[度]時，不允許入射光通過光學器件。在如圖8(c)所示的入射角θ為70[度]的情況下，對于P波，光譜透射率T實際上為100[％]，對于S波，光譜透射率T實際上為0[％]；因此，P和S波的平均光譜透射率T實際上是50[％]。
此外，如圖9(a)中所示，在UV光源的波長范圍的短波長一側的波長λ等于350[nm]的情況下，對于P波，當入射角θ等于或大于50[度]時，光譜透射率T增大。在如圖9(b)所示的中心波長λ等于375[nm]的情況下，當入射角θ等于或大于46[度]時，光譜透射率T增大。此外，在如圖9(c)所示的中心波長λ等于400[nm]的情況下，當入射角θ等于或大于42[度]時，光譜透射率T增大。
因此，在入射光被利用P波的光學器件全反射或改變了光學器件的條件以便適當地設計S波的光譜性質從而使其接近P波的性質的情況下，當入射光的入射角θ等于或小于全反射臨界角θc時，可以選擇性地反射UV光源波長范圍中的入射光，而當入射角θ大于全反射臨界角θc時，允許入射光通過光學器件。由于這種原因，可以使光學器件的介質多層膜在實踐中充分地起到作為選擇入射光的光路的光學元件的功能。
順便說明一下，在上述說明中，使用了由TiO2/SiO2構成的多層膜作為介質多層膜的例子；但是，這不是限制性的，而是可以選擇一種適合于要使用的光的波長的材料。例如，適合于可見光線或紅外線的。
可以優(yōu)選使用TiO2，CeO2，Ta2O5，ZrO2，Sb2O3，HfO2，La2O3，NdO3，Y2O3，ZnO和Nb2O5作為具有高折射率的材料(具有1.8或更大折射率的材料)；可以優(yōu)選使用MgO，Al2O3，CeF3，LaF3和NdF3作為具有比較高的折射率的材料(具有1.6-1.8的折射率的材料)；可以優(yōu)選使用SiO2，AlF3，MgF2，Na3AlF6，NaF，LiF，CaF2和BaF2作為具有低折射率的材料(具有1.5或更低折射率的材料)。
對于紫外線，可以優(yōu)選使用ZrO2，HfO2，La2O3，NdO3和Y2O3，或，TiO2，Ta2O5，和ZrO2作為具有高折射率的材料(具有1.8或更高折射率的材料)(在這里，光的波長是360nm-400nm)；可以優(yōu)選使用MgO，Al2O3，LaF3，和NdF3作為具有比較高的折射率的材料(具有1.6-1.8的折射率的材料)；和，可以優(yōu)選使用SiO2，AlF3，MgF2，Na3AlF6，NaF，LiF，和CaF2作為具有低折射率的材料(具有1.5或更小的折射率的材料)。
順便說明一下，上述光干涉濾光器可以是金屬/介質多層膜，其中將一個金屬膜加到介質多層膜的層狀結構上。此外，可以通過用EB真空蒸發(fā)法(電子束真空蒸發(fā)法)或濺射法在透明支撐基片上形成多個薄膜材料制造由介質多層膜構成的光干涉濾光器。此外，薄膜材料也可以是具有不同折射率的有機多層膜，或包含無機物質的有機多層膜。在這種情況下，由于可以通過將它們施加或疊加到透明支撐基片上形成它們，因而可以用更低的成本制造它們。
以下詳細說明用于改變入射光的光路的光學元件10和用于選擇光路的光學元件12的光學性質。
首先，讓我們假設改變光路的光學元件10通過，例如，折射來改變光路。如圖10中所示，在其中一個改變光路的光學元件(平均折射率nt)，一個選擇光路的光學元件(平均折射率ns)，一個透明介質u(平均折射率nu)，一個透明介質v(平均折射率nv)，和一個位于一個全反射表面的前側的透明介質w(平均折射率nw)以這種順序排列的光學器件的情況下，假設透明介質v與透明介質w之間的界面是一個全反射表面，那么可以用下面的方程式(2)表示各界面的入射角與各介質的平均折射率之間的關系即，nv·sinθv＝nwnu·sinθu＝nv·sinθv＝nw (2)ns·sinθs＝nu·sinθu＝nwnt·sinθt＝ns·sinθs＝nw在這個方程式中，θt，θs，θu和θv分別是各介質的光路角度。
因此，改變光路的光學元件10必須至少將包含具有了便能夠滿足條件“sinθt＞nw/nt”的角度θt的光的光輸出到光路的前部。光學元件10最好能夠以使輸出光能夠盡可能多地包含具有滿足條件“sinθt＞nw/nt”的角度θt的光這樣的一種方式將光輸出到光路的前部。順便說明一下，在透明介質w是空氣的情況下，nw＝1，因此上述條件提供了sinθt＞1/nt。
另一方面，這樣地設定選擇光路的光學元件12的條件，使得只有滿足條件“sinθs＞nw/ns”的光能夠透過光學元件12。順便說明，在透明介質w是空氣的情況下，nw＝1，因此上述條件提供了sinθs＞1/ns。
接下來，參考圖11-13，詳細說明選擇光路的光學元件12的性質。
圖11示出了照射在光學元件12上的入射光的入射角，圖12是在一定入射角度下，光學元件12的光譜透射率相對于入射光的波長的曲線圖，圖13示出了排列在光學元件12的內部和外部的光路。
首先，如圖11中所示，在入射光以它們各自的入射角θ0，θ1，θ2和θ3照射到光學元件12上的情況下，如圖12中所示，光學元件12的光譜透射率以圖12所示的方式變化。即，當入射角θ0(0度)等于或小于全反射臨界角θc時，相對于入射光的波長范圍λiS-λiL的光譜透射率實際上為0％，從而提供了一種光屏蔽狀態(tài)(入射光不透射過光學元件12而是被光學元件12反射的狀態(tài))。另一方面，在入射角大于全反射臨界角θc的情況下，隨入射角如θ1，θ2和θ3一樣地增大，光譜透射率的透射特性移向短波長一側，從而使透射的光量增大。也就是說，隨著進入到光學元件12的入射光相對于本光學元件12的表面的入射角減小，被選擇反射的入射光的波長移向短波長一側。由于這種原因，不允許具有θ0的入射角分量的入射光的光通過光學元件12，但是分別具有大于一個特定角度的入射角分量θ1，θ2和θ3的光透過光學元件12，同時光量也以上述的順序遞增?？紤]到這種原因，在適當地設計光學元件12的光譜特性，從而使僅有入射角大于全反射臨界角θc的入射光能夠透過元件12的情況下，防止了不能滿足全反射條件的入射光分量透過光學元件12，而是僅有被全反射的入射光分量可以被選擇從光學元件12發(fā)射。
以下參考圖13說明當利用設計為僅有具有大于全反射臨界角θc的入射角的入射光分量可以透射過元件12的光學元件12構造全反射光學構件2時的入射光光路。
圖13(a)示出了被光學元件12反射的引入到選擇入射光的光路的光學元件12中的光的光路A，和透過光學元件12并且被用作分別位于光路前部的透明介質14和透明介質16之間的界面的全反射表面22全反射的引入到選擇光路的光學元件12的光的光路B。
光路A提供了入射光的入射角θi等于或小于全反射臨界角θc的情況；并且，在光路A中，光學元件12不允許具有這種入射角分量的光通過，而是通過其表面有選擇地反射這種光。因此，通過光學元件12防止了具有這種等于或小于全反射臨界角θc的入射角分量的光透射到光路的前部。
光路B提供了入射光入射角θi大于全反射臨界角θc的情況；并且，在光路B中，光學元件12允許具有這種入射角分量的光通過。因此，使具有這種大于全反射臨界角θc的入射角分量的光透過光學元件12，進入到透明介質14，并且被全反射表面22全部反射。
順便說明一下，圖13(a)示出了入射光引入一側的折射率na等于透明介質14的折射率nb，并且入射到光學元件12的入射光的入射角θi等于入射到全反射表面22的入射角θs的情況。
另一方面，圖13(b)示出了入射光引入側的折射率na與透明介質14的折射率nb不同，并且入射到光學元件12的光的入射角θi與入射到全反射表面22的入射角θs不同的情況。在這種情況下，要適當地設計光學元件12，以使入射到全反射表面22的光的入射角θs能夠大于全反射臨界角θc。
通過利用上述結構的選擇光路的光學元件12構造全反射光學構件2，如圖2中箭頭標記所示，在把由從全反射光學構件2的內部或外部引入的平行光或散射表組成的平面形入射光引入到改變入射光的光路的光學元件10的情況下，通過散射致使光路從光的照射位置移開。并且，在改變了光路的光到達選擇光路的光學元件12的情況下，只有具有大于作為透明介質14與透明介質16之間的界面的全反射表面22的全反射臨界角θc的入射角分量的入射光才被允許通過光學元件12，而具有其它入射角分量的入射光被光學元件12的表面有選擇地向入射光引入側反射。
因此，在照射到全反射光學構件2的光中，僅有要被全反射表面22全反射的光引入到它們各自光路的前部，并且全反射表面22將如此引入的光完全反射。也就是說，在選擇光路的光學元件12中，實際上所有要從光學元件12發(fā)射的透射光具有比位于比選擇光路的光學元件12更靠入射光光路的前方的全反射表面的全反射臨界角更大的入射角分量，而具有其它入射角分量的光被光學元件12有選擇地反射，因而不能透射過光學元件12。順便說明一下，在具有全反射表面的介質的內部，實際上不會發(fā)生光引入、光存儲、或光限制。
改變光路的光學元件10的光入射側界面(反射層)將選擇光路的光學元件12的表面向入射光引入側反射的那部分光反射，并且再照射到選擇光路的光學元件12。在再照射光的情況下，其入射角增大到超過全反射臨界角θc；因此，這部分光可以透射過光學元件12，從而能夠被引入到透明介質14中。
接下來，在下面說明光耦合元件4。
光耦合元件4是一種能夠破壞全反射表面上入射光的全反射條件，能夠耦合入射光和取出如此光耦合的光，并且能夠將耦合的光發(fā)射到入射光的光路的前部的元件。光耦合元件4包括用于改變取出光的光路的光路改變裝置，用于吸收特定波長分量的特定波長分量吸收裝置，和用于激發(fā)和發(fā)射光的光發(fā)射裝置。更具體地講，例如，可以使用下文(1)-(4)中所示的裝置。
即(1)用于通過折射來改變光的光路的裝置，或具有這種功能的裝置。
與全反射表面22相鄰設置并且用于通過折射來改變取出的輸出光的光路的裝置；例如，圖14(a)中所示的透鏡陣列，圖14(b)中所示的棱鏡陣列，和圖14(c)中所示的折射率分布透鏡構件。根據這些透鏡陣列、棱鏡陣列和透鏡構件，可以會聚或散射從全反射光學構件2的全反射表面22取出的輸出光，并且能夠隨后以不同的方向發(fā)射，從而能夠通過一種簡單的結構使輸出光具有或失去光發(fā)射定向性，而不降低輸出光的強度。
(2)透射型的衍射光柵或具有相同功能的裝置。
作為一種允許取出光通過并且也能通過衍射改變取出光的發(fā)射方向的衍射光柵，與前面說明的情況相同，可以使用圖3(a)中所示的體積全息照相，圖3(b)中所示的凸凹型衍射光柵，圖3(c)中所示的折射率調制型的衍射光柵，和調幅型衍射光柵。根據這些透射型衍射光柵，可以精確地設定輸出光的發(fā)射角度。此外，它們也可以根據，例如，光敏聚合物法或注射成型法批量制造，這使得能夠降低光學器件本身的成本。
(3)光散射構件或光分散構件，或具有相同功能的裝置。
作為一種散射或分散取出光的光散射構件或光分散構件，可以使用圖15(a)中所示的由多孔材料構成的片，其中分散或分布了具有不同折射率的材料20，例如，具有高折射率的微小顆粒的片，圖15(c)中所示的包括不平整(波紋形的、或凸起和凹陷形的)表面的光散射片或光分散片。根據這種光散射片或光分散片，可以通過散射或分散在任意方向上分散輸出光，這使得輸出能夠失去其光發(fā)射定向性。
(4)用于吸收一種入射光的裝置，或具有相同功能的裝置。
作為吸收一種入射光的裝置，可以使用一個其中記錄了圖像數據的透射圖像膜。在通過透射圖像膜吸收了從全反射光學構件2的全反射表面22取出的輸出光的特定波長分量，并且隨后從透射圖像膜發(fā)射的情況下，可以顯示出輸出光的陰影，并且可以展現出特定的顏色。也就是說，可以以記錄在透射圖像膜上的圖像的相同方式顯示光。由于這種原因，即使在相同類型的入射光中，也可以有選擇地獲得具有不同顏色的多種發(fā)射光。
(5)用于激發(fā)發(fā)射光的裝置，或具有相同功能的裝置。
作為由入射光激發(fā)從而發(fā)射光的裝置，可以使用熒光物質或光致發(fā)光物質。在這種情況下，本熒光物質或光致發(fā)光物質可以由從全反射光學構件2的全反射表面22取出的輸出光激發(fā)，以發(fā)射具有特定顏色的光。此外，在把特定顏色設置為，例如，紅、綠和藍色的情況下，可以根據要顯示的圖像把這些光發(fā)射物質組合在一起，從而能夠顯示出全色圖像。
如上所述，根據上述結構的光學器件100，由于來自平面形光源的入射光，不使用光引入片或光波導通道、高效地直接將它們不加改變地引入到全反射光學構件2，因而，例如，當與從端面?zhèn)纫肴肷涔獾那闆r相比時，可以把入射光的引入端口做得相當地寬，從而能夠提高與入射光的耦合效率；并且因此，即使在把光學器件100本身設計為簿結構的情況下，也可以高效率地獲得平面形全反射光，而不受光學器件100的簿結構的影響。由于這種原因，可以從設置了光耦合元件4的區(qū)域，高效地將從全反射光學構件2取出的輸出光發(fā)射到其光路的前部。因此，在位于光路前側的光學器件100的表面中，只有設置了光耦合元件4的區(qū)域被允許閃光，并且使光能夠以要顯示的圖像的相同方式從光學器件100發(fā)射。也就是說，可以僅在需要的位置上顯示圖像。此外，根據本結構，可以防止當使用光引入片或光波導通道時可能發(fā)生的串光造成的顯示屏局部中的光量降低，因而可以在顯示屏的整個表面上以均勻的亮度顯示圖像。
此外，由于光學元件100中存在的各界面反射的那部分入射光被界面反射再照射到其光路的前部，因而可以容易地提高光學器件100的輸出。此外，由于全反射光學構件2本身實際上并不產生透射光，因而可以提高光學器件100的光利用率。順便說明一下，在把光學器件100的要與空氣(也可以是惰性氣體)接觸的氣體接觸界面形成為全反射表面的情況下，可以不必單獨地提供一個具有引起全反射的折射率的層，而簡化光學器件100的結構。
順便說明一下，在不僅根據本實施例的光耦合元件4是由，例如，其中記錄著圖像并且也切割成給定的尺寸的熒光物質膜形成的，而且光源使用了UV光激發(fā)熒光物質的情況下，在需要圖像顯示的時間，簡單地通過將熒光物質膜放置在全反射光學元件2的全反射表面的希望的位置上，就可以在放置的位置上顯示圖像。此外，由于沒有光從沒有設置光耦合元件4的區(qū)域發(fā)射，因而顯示的圖像的亮度與其周圍的亮度之間的差很大，從而能夠生動地凸現出顯示的圖像；也就是說，能夠提供更好的視覺效果。此外，由于可以僅在需要圖像顯示時放置熒光物質膜，因而可以在需要時進行圖像顯示；并且，由于為了圖像顯示可以在多種熒光物質膜之間相互切換，因此可以容易地輪換顯示不同的圖像。此外，通過動態(tài)地控制圖像顯示，可以構造出一種能夠吸引人注意的廣告布告板或燈光布告板。
上述光學器件不僅可以用于圖像顯示，而且可以用作一種顯示諸如字符信息或圖形信息之類的各種信息的媒介。
接下來，在下面說明本發(fā)明的第一實施例的第一改進，在這種改進中使用了]布喇格(Bragg)反射濾光器來取代上述的光干涉濾光器作為選擇入射光的光路的光學元件。
圖16示出了一個例子，其中選擇光路的光學元件13是由液晶膜構成的。在這個例子中，選擇光路的光學元件13包括一對由ITO制造的透明電極26，一對分別形成在兩個透明電極26內側的定向層28，和一個被定向層28封閉的膽甾醇型液晶層30。
現在，在下面說明膽甾醇型液晶層30可以提供的濾光效果。在這個膽甾醇型液晶層30中，膽甾醇型液晶顆粒與膽甾醇型液晶層30平行定向，并且提供了一種相對于層30的垂直方向的螺旋形結構。
假設將膽甾醇型液晶層30的正常光折射率表示為no，將其異常光折射率表示為ne，其雙折射率表示為Δn，并且將平均折射率表示為n，那么可以用以下的方程式(3)表達雙折射率Δn。
Δn＝ne-no (3)也可以用以下的方程式(4)近似地表達平均折射率n。
n＝(ne+no)/2(4)此外，在把膽甾醇型液晶層30的螺距表示為P[nm]的情況下，膽甾醇型液晶層30顯示出根據布喇格定律有選擇地反射入射光的特性。即，在以入射角θ[度]引入到膽甾醇型液晶層30的入射光被膽甾醇型液晶層30有選擇地反射的情況下，入射光的中心波長λ(θ)[nm]可以用下面的方程式(5)表示。 在這種情況下，假設入射光是從空氣(折射率＝1)引入的。在這里，λ(0)[nm]是在入射角是θ0時，也就是說，在把入射光垂直地引入到膽甾醇型液晶層30時的中心波長，并且可以用下面的方程式(6)表示它。
λ(0)＝n·P(6)也可以用下面的方程式(7)表示反射波長寬度Δλ[nm]。
λ＝Δn·P (7)因此，在通過控制膽甾醇型液晶層30的物理特性值，也就是說，通過控制膽甾醇型液晶層30的正常光折射率no，異常光折射率ne，和螺距P，而形成膽甾醇型液晶層30的情況下，可以形成一種具有根據入射角θ可變的任意的反射中心波長λ(θ)和希望的反射波長寬度Δλ的濾光器。例如，可以根據一種通過將具有不同螺距的兩種或多種材料混合在一起從而調節(jié)螺距P的方法來調節(jié)螺距P。
此外，在引入的入射光的波長范圍很寬的情況下，也需要加寬膽甾醇型液晶層的選擇反射波長范圍。在這種情況下，通過在厚度方向上使螺距以連續(xù)地不同的方式定向液晶，可以加寬反射波長范圍。此外，通過將具有不同的選擇反射波長范圍的膽甾醇型液晶層相互疊加，也可以加寬膽甾醇型液晶層的反射波長范圍?？梢园讶绱诵纬傻哪戠薮夹鸵壕佑米鞲鶕景l(fā)明的選擇光路的光學元件的一個組成部分。
此外，膽甾醇型液晶層30可以用以下的方式制造。
即，在用于形成膽甾醇型液晶膜的支撐材料上施加一個聚酰亞胺定向膜并且干燥，通過摩擦對聚酰亞胺定向膜進行表面處理，從而形成一個聚酰亞胺定向膜。利用一種與有機溶劑混合的調節(jié)溶液，將一種由低分子膽甾醇型液晶或向列型液晶與一種用于產生扭轉的手性試劑混合構成的混合物，一種高分子單體，和一種光聚合始發(fā)劑施加到聚酰亞胺定向膜上；然后，在適當的溫度下定向聚酰亞胺定向膜。接下來，用紫外線給聚酰亞胺定向膜的需要的部分曝光，從而在曝光部分引起光聚合，而通過顯影將聚酰亞胺定向膜的不需要的部分去除。最后，在高溫下烘烤聚酰亞胺定向膜，從而穩(wěn)定化。
為了控制扭轉方向和反射/入射角度，可以適當地改變膽甾醇型液晶或手性試劑的各自的密度。
也可以用一種高分子膽甾醇型液晶形成膽甾醇型液晶膜。在這種情況下，與上述情況相同，利用與一種有機溶劑混合的調節(jié)溶液，將高分子膽甾醇型液晶和光聚合始發(fā)劑施加到聚酰亞胺定向膜上；然后，在適當的溫度下定向聚酰亞胺定向膜。接下來，用紫外線給聚酰亞胺定向膜的需要的部分曝光，從而引起曝光部分的光聚合。可以通過選擇適當的定向溫度控制反射/入射角度，并且可以通過光聚合穩(wěn)定化。
在這里，圖17示出了這樣構造的選擇光路的光學元件13提供的光譜透射率。在這種情況下，膽甾醇型液晶層是由一個左旋膽甾醇型液晶層和一個右旋膽甾醇型液晶層的組合構成的，在這個層中一個全偏振光分量在其反射波長范圍中被反射。在入射角是等于或小于全反射臨界角θC的θ0(見圖7)的情況下，相對于波長范圍λiS-λiL的光譜透射率實際上為0％，因此，不允許入射光通過膽甾醇型液晶層。另一方面，在入射角大于全反射臨界角θc的情況下，隨著入射角以θ1，θ2和θ3的順序增大，光譜透射率的透射特性向短波長側移動，從而使透射光量增加。也就是說，不允許具有θ0的入射角分量的入射光的光通過膽甾醇型液晶層，而允許分別具有入射角分量θ1，θ2和θ3的光以各自的透光量以θ1，θ2和θ3的順序增大的方式通過膽甾醇型液晶層。考慮到這種情況，在適當地設計光學元件12的光譜特性，從而僅有在給定的界面上具有大有全反射臨界角θc的入射角的入射光分量被允許通過膽甾醇型液晶層的情況下，可以有選擇地將那些不滿足全反射條件的入射光分量除去，并且只有被全反射的入射光分量可以從光學元件12發(fā)射。
根據本結構，可以獲得與利用光干涉濾光器的上述結構相同的操作效果，并且，與此同時，可以用更低的價格生產選擇入射光的光路的光學元件13。
此外，在膽甾醇型液晶層30的螺旋結構向右扭轉的情況下，反射右旋偏振分量光，而允許沿螺旋左旋偏振分量光通過膽甾醇型液晶層30。另一方面，在膽甾醇型液晶層30的螺旋結構向左扭轉的情況下，左旋偏振分量光被反射，而允許右旋偏振分量光通過膽甾醇型液晶層30。因此，為了通過膽甾醇型液晶層30反射光的全部偏振光分量，即，為了防止光的所有偏振光分量通過膽甾醇型液晶層30，可以用把左旋(或右旋)膽甾醇型液晶層和右旋(或左旋)膽甾醇型液晶層順序地相互疊加的方式構造膽甾醇型液晶層30即，根據這種結構，通過膽甾醇型液晶層30可以反射全部偏振光。
除了上述膽甾醇型液晶之外，也可以有效地使用體積全息照相作為具有布喇格反射功能的光學元件。由于形成在一個膜內的光柵形折射率分布，并且反射具有特定波長的光，體積全息照相具有布喇格反射功能。此外，在入射角增大的情況下，體積全息照相的反射波長向短波長一側移動，從而體積全息照相可以發(fā)揮光路選擇膜的功能。為了形成體積全息照相，可以使用全息照相的照相材料，析相型光敏聚合物，HPDLC(全息照相聚合物分散液晶)，或光刻材料作為光敏材料，并且通過多光通量干涉光曝光處理光敏材料。
接下來，在下面說明本實施例的第二改進，在第二改進中，可以不使用上述光干涉濾光器或布喇格反射濾光器，通過更簡化的便宜的結構實現全反射光學構件2。
在本改進中，全反射光學構件3是利用一個棱鏡形成的。圖18示出了根據本改進的全反射光學構件3的結構的例子。根據本改進的全反射光學構件3是由包括一個在入射光引入側的不平整表面的微棱鏡陣列50構成的。圖18(a)是從入射光的進入表面一側觀看時的微棱鏡陣列50的平面圖，圖18(b)是沿圖18(a)中的間斷線P-P的剖面圖。
微棱鏡陣列50形成為一個平板。微棱鏡陣列50的上表面形成為一個平滑的全反射表面52，另一方面，微棱鏡陣列50的下表面是由多個相互平行排列的棱鏡54構成的，而每個棱鏡54的剖面具有不平的或角狀的形狀。
可以使用玻璃或樹脂作為微棱鏡陣列50的材料。從批量生產的觀點看，可以優(yōu)選使用樹脂。作為此目的的樹脂，優(yōu)選的是丙烯酸樹脂，環(huán)氧樹脂，聚酯樹脂，聚碳酸酯樹脂，苯乙烯樹脂，和氯乙烯樹脂。此外，樹脂材料包括光固化型材料，光熔化型材料，熱固型材料，和熱塑型材料；并且，可以根據情況適當地選擇它們。
作為制造微棱鏡陣列50的方法，從生產率的角度考慮，可以優(yōu)選使用利用模具的鑄造法，熱壓模制法，注射成型法，印刷法，和照相法。更具體地講，可以通過利用具有微棱鏡形狀的模具壓制熱塑性樹脂模制微棱鏡陣列50。也可以用以下的方法模制微棱鏡陣列50即，可以把光固化樹脂或熱固性樹脂裝載到模型中，然后，通過光或熱硬化樹脂，最后，從模型中取出這樣硬化的樹脂。
在使用光刻法的情況下，將紫外線(或可見光線)通過一個圖樣化的光屏蔽掩模適當地施加到光熔性樹脂或光固化樹脂，從而熔化和顯影樹脂的曝光部分或未曝光部分。通過選擇樹脂材料和調節(jié)樹脂曝光量的分布，可以得到具有希望形狀的微棱鏡。此外，根據樹脂材料，在顯影后，可以在高溫下烘烤樹脂；也就是說，由于樹脂在其熱軟化時的表面張力，可以獲得具有希望形狀的微棱鏡50。
另外，入射光是一種具有存在在一個特定入射角范圍內的入射角的平面形光，如圖18(b)中所示，將入射光以入射角θi引入到全反射光學構件3中。
根據本實施例的全反射光學構件3，在微棱鏡陣列50的周圍介質是空氣(折射率是n2＝1)并且微棱鏡陣列50是由透明樹脂(折射率是n3＝1.5)的情況下，可以同樣地根據上述方程式(1)發(fā)現全反射表面52的全反射臨界角θc，更具體地講，是42[度]。
因此，作為設置相對于全反射表面52的入射角θ，以使θ≥θc的一個例子，將棱鏡的頂角α設置為90[度]，并將其右和左開度角設置為45[度]。在本例中，在入射光是從棱鏡外部引入的情況下，入射光的入射角θi實際上是45[度]。在這種條件下，實際上避免了光學的漸暈現象，因此全反射表面52可以高效率地全反射入射光。順便說明，棱鏡的頂角α不限于這個值。
如上所述，利用可以容易地低價生產的微棱鏡陣列50，可以引入以平面形照射的入射光，并且可以全反射實際上全部如此引入的入射光。
順便說明，也可以使用將一種由玻璃或樹脂形成的透明介質56設置在微棱鏡陣列50的光路前部的結構。圖19示出了利用本結構的一個全反射光學構件5的剖面結構。
根據這種結構，將平面形入射光照射到微棱鏡陣列50上，并且將具有根據棱鏡的頂角α設定的給定入射角分量的入射光引入到透明介質56中。如此引入的入射光被透明介質56的全反射表面58高效率地全部反射。
以這種方式，通過利用可以容易地低價批量生產的微棱鏡陣列50引入平面形照射的入射光，透明介質56的界面58可以全反射實際上全部如此引入的入射光。
接下來，在下面說明根據本發(fā)明的一個光學器件的第二實施例。
在這里，圖20示出了根據本發(fā)明的光學器件的第二實施例的結構。根據第二實施例的光學器件200是一個多層結構器件，其中，從用作入射光的UV光的引入側，一個全反射光學構件2，一個用于反射可見光并且從其透射UV光的濾光器6，和一個有選擇地設置并且包括熒光物質的光耦合元件4，以這樣的順序相互疊加。
根據這種結構，在把平面形入射光從發(fā)射UV光的光源(黑光)照射到全反射光學構件2上的情況下，入射光被引入到全反射光學構件2中。在光學器件200的設置了光耦合元件4的區(qū)域中，在破壞了全反射表面的全反射條件的同時，透射過濾光器6的入射光被從濾光器6取出，以激發(fā)光耦合元件4的熒光物質，因而造成它們發(fā)射它們各自的光。在這種情況下，從熒光物質發(fā)射并且被導向入射光的引入側的光被濾光器6反射到其光路的前側。另一方面，在光學器件200的沒有設置光耦合元件4的區(qū)域中，濾光器6的光路前側上的全反射表面將引入到全反射光學構件2的入射光全部反射。結果，由于受激發(fā)射光的利用率提高，可以把受激發(fā)射光用于顯示圖像，這使得能夠以提高的亮度顯示圖像。
在這里，可以使用350-400nm范圍中的波長作為從光源照射的光的波長，可以使用能夠發(fā)出諸如R(紅)、G(綠)和B(藍)之類的可見光的熒光物質作為熒光物質，以便能夠以全色顯示圖像。作為選擇，從光源照射出的光也可以是具有顯示出藍色的波長的光，作為熒光物質，也可以使用能夠通過光源的藍光激發(fā)從而發(fā)射出它們各自顏色的光的G(綠)和R(紅)色的熒光物質。也就是說，上述的例子不限于這些組分的組合。此外，濾光器6也可以使用上述的膜，即，諸如介質多層膜之類的多層干涉膜，和利用膽甾醇型液晶的膽甾醇型液晶膜。
接下來，在下面說明根據本發(fā)明的一個顯示裝置的實施例。
圖21示出了根據本發(fā)明的顯示裝置的結構。根據本實施例的顯示裝置300的結構是，一個平面光源60設置在上述光學器件100(也可以是使用UV光源的光學器件200)的入射光引入側。
平面光源60的結構為，將諸如熒光燈之類的光發(fā)射構件64以兩行或更多行排列在一個其內表面上設置有一個散射反射元件62的光源箱的內部，散射片66設置在光發(fā)射構件64的光路前部。從多個光發(fā)射構件64發(fā)射出的光照射在散射片66上，并且，在另一方面，照射在背表面一側的發(fā)射光被散射反射元件反射，然后照射在散射片66上。光學器件100設置在散射片66的光路前部，并且將發(fā)射的平面形光引入到光學器件100。由于這種結構，平面形光，由于它們是平面形的，通過散射片66引入到光學器件66中。
以這種方式，將從平面光源60發(fā)射的平面形光引入到光學器件100中，并且將光從光學器件100的設置了光耦合元件4的區(qū)域發(fā)射。另一方面，在光學器件100的沒有設置光耦合元件4的區(qū)域中，引入到光學器件100中的入射光被全反射光學構件2的全反射表面全部反射，因而防止被發(fā)射到光路前部。
根據顯示裝置300的這種結構，在把光耦合元件4僅設置在圖像顯示所需部分，即，僅設置在圖像輸出部分的情況下，可以防止來自平面光源60的光從不是顯示裝置300的圖像輸出部分的部分發(fā)射。因此，可以在不降低顯示的圖像質量的情況下，高效率地在任意位置上顯示需要的圖像。此外，在光耦合元件4是由透射圖像膜構成的情況下，通過把帶有記錄的希望的圖像的透射圖像膜粘貼到全反射光學構件2的任意位置上，可以容易地僅在粘貼膜的位置上顯示圖像。
此外，如圖22中所示，也可以使用把用于吸收具有光源的光發(fā)射波長范圍中的波長的光的濾光器68設置在顯示裝置300的光耦合元件4的光路前部的結構。根據這種結構，在光源60的光發(fā)射波長對應于可見光范圍的情況下，通過在顯示一側(觀眾一側)設置一個用于吸收可見光的ND濾光器(透射率為20-70％)，即使在光亮的場合也能獲得高對比度，從而能夠進行高質量的圖像顯示。此外，在光耦合元件4中，可以設置能夠由具有光源60的光發(fā)射波長的光激發(fā)的熒光物質；并且，在這種情況下，與前面相同，由于濾光器68使一部分熒光透射，而將包括受激發(fā)射光在內的其它光分量吸收，因而可以進行高對比度的圖像顯示。
此外，如圖23中所示，也可以使用把由光源的光發(fā)射波長的光激發(fā)的熒光物質設置在光耦合元件4中，并且在光耦合元件4的光路前部，設置一個用于屏蔽熒光物質的受激發(fā)射光的濾光器69的結構。根據這種結構，當使用UV光源時，可以防止UV光發(fā)射到顯示側(觀眾側)。
以下參考圖24簡單地說明上述各實施例中使用的全反射光學構件2的其它例子。
首先，圖24(a)中所示的全反射光學構件具有一種結構，在這種結構中，從入射光的引入側，一個用于改變入射光的光路的光學元件10，和包括一個全反射表面的透明介質14以這樣的順序相互疊置。在本全反射光學構件中，改變光路的光學元件10是如此設計的，使得入射光被透明介質14的光路前部中的全反射表面22全部反射。
根據本全反射光學構件，在照射入射光的情況下，具有要被透明介質14的全反射表面全反射的入射角分量的光的光路被改變。全反射表面22將改變了光路的透射光全部反射。
接下來，圖24(b)中所示的全反射光學構件具有一種結構，在這種結構中，從入射光的引入側，一個用于改變入射光的光路的光學元件10，一個透明介質14，和一個包括一個全反射表面的用于選擇光路的光學元件12以這樣的順序相互疊置。在本全反射光學構件中，如此設計改變光路的光學元件10，使得入射光能夠被選擇光路的光學元件12的光路前部中的全反射表面全部反射。
根據本全反射光學構件，在照射入射光的情況下，改變光路的光學元件10使光的光路改變。因此，此時具有要被全反射表面全反射的入射角分量的光引入到選擇光路的光學元件12中，然后被全反射表面全部反射。另一方面，具有其它入射角分量的光不被引入到選擇光路的光學元件12，而是被有選擇地反射，因此返回到入射光引入側。
此外，圖24(c)中所示的全反射光學構件具有一種結構，在這種結構中，一個具有低于透明介質14的折射率的折射率的介質24設置在圖24(b)中所示的全反射光學構件的光路前部。在這種情況下，如此地設計選擇光路的光學元件12，使得入射光能夠被介質24的光路前部中的全反射表面全部反射。
根據本全反射光學構件，在通過改變光路的光學元件10和透明介質14引入入射光的情況下，引入到選擇光路的光學元件12的入射光被透明介質24的光路前部的全反射表面全部反射。另一方面，具有其它入射角分量的光不被引入選擇光路的光學元件12，而是被有選擇地反射，因此，返回到入射光引入側。
接下來，圖24(d)中所示全反射光學構件具有一種結構，在這種結構中，從入射光的引入側，一個用于選擇入射光的光路的光學元件12，和包括一個全反射表面的透明介質14以這種順序相互疊置。在本全反射光學構件中，如此設計選擇光路的光學元件12，使得入射光能夠被透明介質14的光路前部中的全反射表面全部反射。
根據本全反射光學構件，在引入入射光的情況下，僅有具有要被透明介質14的全反射表面完全反射的入射角分量的光透過光學元件12。即，全反射表面將如此透射的光全部反射。另一方面，選擇光路的光學元件12將不滿足全反射條件的入射光分量有選擇地反射，因此，實際上防止了它們通過全反射光學構件。
接下來，圖24(e)中所示全反射光學構件具有一種結構，在這種結構中，從入射光的引入側，一個改變入射光的光路的光學元件10，一個用作光粘結層的光連接介質18，一個選擇入射光的光路的光學元件12，和一個透明介質14以這樣的順序相互疊置。根據本全反射光學構件，在照射入射光的情況下，改變光路的光學元件10將一些入射光的光路改變到具有要被透明介質14的全反射表面全反射的入射角分量的入射光分量。因此，改變了光路的入射光分量被全反射表面全部反射。另一方面，不滿足全反射條件的入射光分量被選擇光路的光學元件12有選擇地反射，因而實際上防止了它們通過全反射光學構件。
即使具有上述結構的全反射光學構件也能夠用于根據本發(fā)明的上述實施例的全反射光學構件，并且它們能夠提供相同的操作效果。此外，全反射光學構件的層結構不限于一種特定的層結構，只要它具有滿足本發(fā)明的上述要旨的功能。
盡管至此已經參考特定的實施例詳細地說明了本發(fā)明，但是，熟悉本領域的人員應當清楚，也可以有其它各種不同的改造和改進，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
本申請基于2001年6月15日申請的日本專利申請(專利申請2001-182210)，并且將該申請的內容結合在本申請中。
工業(yè)可用性根據本發(fā)明，提供了一種平板形的光學器件，包括一個全反射光學構件，全反射光學構件在其位于光路前部一側的另一個表面中包括一個全反射表面，形成這個全反射表面以便全反射從全反射光學構件的一個表面引入的平面形入射光的至少一部分，從而防止了入射光發(fā)射到光路前部；和，根據要顯示的圖像彼此相鄰地設置在全反射光學構件的全反射表面的希望的位置上的光耦合元件，光耦合元件的設置方式使得它們能夠破壞全反射光學構件的全反射表面中的入射光的全反射條件，從而能夠耦合入射光，并且能夠從全反射表面取出入射光。由于這種結構，引入的平面形入射光的至少一部分被全反射光學構件的全反射表面全部反射，因而返回到光學器件的入射光引入側，因此防止了引入到光學器件的入射光發(fā)射到入射光的光路前部。另一方面，在光學器件的設置了光耦合元件的區(qū)域中，由于破壞了全反射光學的全反射條件，使入射光耦合到光耦合元件，并且從全反射表面發(fā)射到光學器件的光路前部。這使得能夠構造一種能夠僅從光學器件的設置了光耦合元件的區(qū)域將入射光發(fā)射到光路前部的光學器件。因此，可以提供一種不僅能夠直接地以不變的形狀引入平面形入射光，從而能夠高能量效率地發(fā)射光，而且也能夠在任意的位置上設定光耦合元件的安裝位置，從而可以高質量地在全反射光學構件的任意位置上顯示希望的圖像的光學器件。
此外，根據本發(fā)明，提供了一種顯示裝置，包括上述光學器件；和，一個設置在光學器件的入射光引入側的平面光源，其中將來自平面光源的光引入到光學器件，并且將光耦合元件從全反射光學構件取出的光從光學器件發(fā)射，以顯示圖像，從而可以利用設置在其中的光耦合元件將來自平面光源的平面形光直接引入到光學器件，并且，在提高了顯示裝置的能量效率的同時，可以高質量地將希望的圖像顯示在任意位置。
權利要求
1.一種平板形光學器件，包括在其位于光路前部一側的另一個表面中包括全反射表面的全反射光學構件，形成全反射表面以便全反射從所述全反射光學構件的一個表面引入的平面形入射光的至少一部分，從而實際上防止了所述入射光被發(fā)射到所述光學器件的光路前部；和根據要顯示的圖像彼此相鄰地設置在所述全反射光學構件的所述全反射表面的希望的位置上的光耦合元件，光耦合元件破壞了所述全反射光學構件的所述全反射表面中的所述入射光的全反射條件，以便耦合所述入射光，和從所述全反射表面取出所述入射光。
2.根據權利要求1所述的光學器件，其中所述全反射光學構件包括用于改變所述平面形入射光的光路的光學元件。
3.根據權利要求1所述的光學器件，其中所述全反射光學構件包括用于選擇所述平面形入射光的光路的光學元件。
4.根據權利要求1所述的光學器件，其中所述全反射光學構件，以從所述平面形入射光的引入側開始的順序，包括用于改變所述平面形入射光的光路的光學元件，和用于選擇所述平面形入射光的光路的光學元件。
5.根據權利要求1至4中的任何一項所述的光學器件，其中每個所述光耦合元件包括用于改變由所述光耦合元件取出的光的光路的光路改變單元。
6.根據權利要求5所述的光學器件，其中所述光路改變單元通過折射改變所述取出光的光路。
7.根據權利要求6所述的光學器件，其中所述光路改變單元包括透鏡陣列、棱鏡陣列、和折射率分布透鏡構件中的任意一個。
8.根據權利要求5所述的光學器件，其中所述光路改變單元通過衍射改變所述取出光的光路。
9.根據權利要求8所述的光學器件，其中所述光路改變單元包括體積全息照相、調相型衍射光柵、和調幅型衍射光柵中的任意一個。
10.根據權利要求5所述的光學器件，其中所述光路改變單元通過光散射或通過光分散改變所述取出光的光路。
11.根據權利要求10所述的光學器件，其中所述光路改變單元包括多孔構件、不同折射率分散構件或分布構件、和包括形成為不平整形狀的表面的光散射或分散構件中的任意一個。
12.根據權利要求1至4中的任何一項所述的光學器件，其中每個所述光耦合元件包括用于吸收和發(fā)射所述取出光的特定波長光分量的特定波長分量吸收單元。
13.根據權利要求1至4中的任何一項所述的光學器件，其中每個所述光耦合元件包括通過接收所述取出光激發(fā)的從而發(fā)光的光發(fā)射單元。
14.根據權利要求1至13中的任何一項所述的光學器件，其中在所述全反射光學構件的入射光引入側設置一個用于將由所述全反射光學構件反射的并且再返回到所述光學器件的入射光引入側的所述入射光引入到所述光學器件的反射層。
15.一種顯示裝置，包括根據權利要求1至14中的任何一項所述的光學器件；和設置在所述光學器件的入射光引入側上的平面光源，其中將來自所述平面光源的光引入到所述光學器件中，并且發(fā)射由所述光耦合元件從所述全反射光學構件取出的光，從而顯示圖像。
16.根據權利要求15所述的顯示裝置，其中所述光耦合元件是其中記錄了圖像的透射圖像膜。
17.根據權利要求15所述的顯示裝置，其中每個所述光耦合元件包括熒光物質，并且所述平面光源發(fā)射每個都包含一種能夠激發(fā)所述熒光物質的波長的光。
18.根據權利要求15至17中的任何一項所述的顯示裝置，其中在所述光耦合元件的光路前部，設置了用于吸收具有一種光發(fā)射波長范圍的光的濾光器。
19.根據權利要求17所述的顯示裝置，其中在所述光耦合元件的光路前部，設置了用于屏蔽激發(fā)光的濾光器。
20.根據權利要求17所述的顯示裝置，其中在所述全反射光學構件的全反射表面與所述光耦合元件之間，設置了用于反射所述熒光物質的發(fā)射波長分量并且也允許所述入射光的波長分量透射的濾光器。
21.根據權利要求20所述的顯示裝置，其中所述濾光器是包括一個介質多層膜的光干涉濾光器。
22.根據權利要求20所述的顯示裝置，其中所述濾光器是包括一個膽甾醇型液晶膜的布喇格反射濾光器。
23.根據權利要求17至22中的任何一項所述的顯示裝置，其中所述入射光的所述波長在350nm-400nm的范圍。
24.根據權利要求17至23中的任何一項所述的顯示裝置，其中所述熒光物質發(fā)射可見光。
25.根據權利要求24所述的顯示裝置，其中所述熒光物質包括用于發(fā)射根據要顯示的圖像組合在一起的紅、綠和藍光的光發(fā)射物質。
全文摘要
本發(fā)明的目的是要提供一種能夠提供高能量效率并且能夠高質量地顯示圖像的光學器件，和一種利用這種顯示器件的顯示裝置。本發(fā)明提供了一種平板形光學器件100，包括一個在其位于光路前部一側的另一個表面中包括一個全反射表面22的全反射光學構件2，形成全反射表面22是為了全反射從全反射光學構件2的一個表面引入的平面形入射光的至少一部分，從而實際上防止了入射光被發(fā)射到光學器件的光路前部；和根據要顯示的圖像彼此相鄰地設置在全反射光學構件2的全反射表面22的希望的位置上的光耦合元件，光耦合元件的設置方式破壞了全反射表面22中的入射光的全反射條件，從而能夠耦合入射光，和從全反射表面22取出入射光。
文檔編號G02B5/04GK1463369SQ02802084
公開日2003年12月24日 申請日期2002年6月12日 優(yōu)先權日2001年6月15日
發(fā)明者木村宏一 申請人:富士膠片株式會社