專利名稱：薄膜及發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種它的一個(gè)面與發(fā)光體相鄰而用的透明薄膜及
使用了透明薄膜的發(fā)光裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)例如有專利文獻(xiàn)1、 2中所公開的技術(shù)。
圖14表示使用了普通的有機(jī)EL (電致發(fā)光)元件的發(fā)光裝 置的剖面結(jié)構(gòu)和光的傳播情況。電極102、發(fā)光層103和透明電 極104按此順序疊層在基板101上，透明電極104上載有透明基 板105。將電壓施加在電極102、透明電極104之間，就會(huì)在發(fā)光 層103的內(nèi)部的點(diǎn)S發(fā)光，該光直接或者在電極102反射后透過 透明電極104，與透明基板105的表面的法線成角度6地入射到 透明基板105的表面上的點(diǎn)P，在該點(diǎn)折射后，射出到空氣層106 一側(cè)。 若設(shè)透明基板105的折射率為n' 1，則當(dāng)入射角0大于臨界 角夕c二sin-1 (1/n' 1)時(shí)就發(fā)生全反射。例如，以6c以上的 角度入射到透明基板105的表面上的點(diǎn)Q的光發(fā)生全反射，而不 會(huì)射出到空氣層106 —側(cè)。 圖16 (a)和圖16 (b)是說明圖，說明的是假定透明基板 105是多層結(jié)構(gòu)的情況下上述發(fā)光裝置的取光效率。在圖16 (a) 中，設(shè)發(fā)光層103的折射率是n' k，空氣層106的折射率是n0, 從靠近發(fā)光層103 —側(cè)算起，存在于發(fā)光層103和空氣層106之 間的多個(gè)透明層的折射率分別是n' k-1、 n' k-2、"*n' 1,從 發(fā)光層103內(nèi)的點(diǎn)S發(fā)出的光的傳播方位(與折射面的法線所成 的角度)0' k，在各個(gè)折射面的折射角依次是6 ' k-l、 0' k-2 6， 1、 00，則根據(jù)斯內(nèi)爾定律下式成立。
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)
結(jié)果，(式2)就是發(fā)光層103直接接觸空氣層106的情況下
的斯內(nèi)爾定律，(式2)表明與存在于其間的透明層的折射率無
關(guān)，滿足6"' k^6 c = sin—1 (no / n' k)就發(fā)生全反射。
圖16 (b)示意地示出了能夠從發(fā)光層103取出的光的范圍。 能夠取出的光包含在以發(fā)光點(diǎn)S為頂點(diǎn)、以臨界角ec的2倍的
角度為頂角、以沿著折射面的法線的Z軸為中心軸的一對圓錐體
107、 107'的內(nèi)部。假定從點(diǎn)S發(fā)出的光全方位地放射強(qiáng)度相等
的光，在臨界角以內(nèi)的入射角下在折射面的透光率是100%,則
從發(fā)光層103取光的取出效率t^就與被圓錐體107、 107'切割
的球面108的面積與球面108的表面積之比相等，由下式給出，
" = l—cos0c (式3)
此外，因?yàn)榕R界角以內(nèi)的透光率不會(huì)達(dá)到100%,所以，實(shí) 際的取出效率？7比l—cos6c小。而且，發(fā)光元件的總效率將成
為發(fā)光層的發(fā)光效率乘以所述取出效率？7后所得到的值。
與上述機(jī)理相比，專利文獻(xiàn)1中公開的發(fā)明是基于以下原理 做出的。即，為抑制光從透明基板出來到大氣時(shí)在透明基板表面 發(fā)生全反射，在有機(jī)EL元件中，在基^反界面、內(nèi)部面或者反射面 形成衍射光柵，并改變光相對于取光面的入射角，從而使光的取 出效率提高。
專利文獻(xiàn)2中公開了以下內(nèi)容。即，為提供光的取出效率較 好的平面發(fā)光裝置，在有機(jī)EL元件中透明基板的表面形成多個(gè)透 明突起物，便能夠防止光在透明基板與空氣的界面發(fā)生反射。 專利文獻(xiàn)1:日本公開特許公報(bào)特開平11 — 283751號(hào)公報(bào) 專利文獻(xiàn)2:日本公開特許公報(bào)特開2005 — 276581號(hào)公報(bào) 一發(fā)明要解決的技術(shù)問題一
7
但上述現(xiàn)有發(fā)光裝置存在以下問題。 在圖14所示的現(xiàn)有的使用了有機(jī)EL元件的發(fā)光裝置中，從 發(fā)光層103取出光的取光效率？？最大也不會(huì)超過1 一cos0c,發(fā)
光層103的折射率決定了 ，取光效率的最大值就決定了 ，但該值 的大小受限。例如，設(shè)(式2)中的nO二l. 0， n， k=l. 457,則臨 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。當(dāng)n， k二1.70時(shí)，取光效率的最大值
下降到0. 191左右。 專利文獻(xiàn)1所公開的技術(shù)確實(shí)能夠?qū)⒈緛響?yīng)該成為全反射的 光取出來，但也會(huì)存在相反的情況，即不能夠?qū)⒉粫?huì)成為全反射 的光取出。也就是說，在假定沒有衍射光柵層時(shí)，從發(fā)光層內(nèi)的 點(diǎn)射出的光，有時(shí)候就會(huì)在透明基板的折射面(射出面)以小于 臨界角的角度入射后，透過、折射。而在假定存在衍射光柵且在 那里發(fā)生衍射時(shí)，相對折射面的入射角會(huì)超過臨界角，發(fā)生全反 射，這種事情有時(shí)會(huì)發(fā)生。因此，專利文文獻(xiàn)1中所公開的技術(shù) 并不能夠保證取光效率提高。而且，在專利文獻(xiàn)l所公開的技術(shù) 下，所有的光線都位移一個(gè)規(guī)定量的方位而成為衍射光。含有這 樣的衍射光的光，方位不同而產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布，規(guī)定量的 位移幅度依賴于射出光的波長，所以色彩會(huì)由于方位失去平衡。
在專利文獻(xiàn)l所公開的發(fā)光裝置中，從外界(空氣層一側(cè)) 入射的光在透明基板的表面有規(guī)律地反射，會(huì)千擾被從發(fā)光層取 出的光(即外來光映入)，所以需要對透明基板的表面進(jìn)行光學(xué)處 理，例如在它的表面加上反射防止膜等。這就導(dǎo)致了產(chǎn)品成本增 加。
另一方面，專利文獻(xiàn)2中所公開的發(fā)光裝置以防止光在折射 面發(fā)生反射為目的，該結(jié)構(gòu)對取光效率的改善在10%、20%左右， 很小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是為解決上述技術(shù)問題而研究開發(fā)出來的。其目的
8在于提供一種薄膜及發(fā)光裝置，讓臨界角以上的對透明基板的入 射光射出，實(shí)現(xiàn)取光效率的大幅度提高，同時(shí)，防止外來光映入， 抑制方位不同而產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布，色彩失去平衡等。 一用以解決技術(shù)問題的技術(shù)方案一 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的第一種薄膜的結(jié)構(gòu)特征如下 使用時(shí)讓該薄膜的一個(gè)面與發(fā)光體相鄰接，該薄膜透明。該薄膜 的另一個(gè)面假想地被最大內(nèi)切圓的直徑在0. 2/zm以上且1. 5//m 以下的多個(gè)微小區(qū)域<5分割，且一個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該 微小區(qū)域5相鄰且被其它多個(gè)該微小區(qū)域5包圍，所述多個(gè)徵小 區(qū)域5由以40%以上且98%以下的比率從該多個(gè)微小區(qū)域5中 選出的多個(gè)微小區(qū)域Si、和除了該多個(gè)微小區(qū)域Si以外的多個(gè) 微小區(qū)域52構(gòu)成，所述微小區(qū)域Si，相對于與所述另一個(gè)面平 行的規(guī)定的基準(zhǔn)面朝著所述另一個(gè)面的上方突出，突出高度是d /2，所述微小區(qū)域52，相對于所述規(guī)定的基準(zhǔn)面朝著所述另一 個(gè)面的下方凹陷，凹陷深度是d/2，所述規(guī)定的基準(zhǔn)面位于所述 微小區(qū)域51和所述微小區(qū)域5 2的在與所迷另 一個(gè)面垂直的方向 上的中間位置，所述d在0. 2〃m以上且1.4//m以下。 在這樣的結(jié)構(gòu)下，即使從發(fā)光體通過薄膜內(nèi)部入射到薄膜的 另一個(gè)面的光以與另一個(gè)面的法線所成的角度在臨界角以上的角 度入射，設(shè)置在另一個(gè)面上的由微小區(qū)域構(gòu)成的表面結(jié)構(gòu)也能夠 防止發(fā)生全反射，將該光的一部分射出到外部，而且，若在另一 個(gè)面反射到發(fā)光體的光也會(huì)借助在發(fā)光體內(nèi)的反射再次入射到薄 膜的另一個(gè)面，也不發(fā)生全反射，有一部分射出到外部。 本發(fā)明中的第二種薄膜的結(jié)構(gòu)特征如下使用時(shí)讓該薄膜的 一個(gè)面與發(fā)光體相鄰接，該薄膜透明。該薄膜的另一個(gè)面假想地 被最大內(nèi)切圓的直徑在0. 2〃m以上且1. 5/zm以下的多個(gè)微小區(qū) 域(5分割，且一個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該微小區(qū)域3相鄰且 被其它該多個(gè)微小區(qū)域5包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域5中的每一個(gè) 微小區(qū)域5 ，以相對于與所述另一個(gè)面平行的規(guī)定的基準(zhǔn)面而言范圍在0以上且d / 2以下的隨機(jī)高度位于上方或者范圍在0以上 且d/2以下的隨機(jī)深度位于下方，所述規(guī)定的基準(zhǔn)面，在存在于 與所述另一個(gè)面垂直的方向上的最高位置的所述微小區(qū)域5和存 在于最低位置的所述微小區(qū)域5的中間位置上，所述d在0.2^m 以上且1. 4//m以下。
本發(fā)明中的第三種薄膜的結(jié)構(gòu)特征如下使用時(shí)讓該薄膜的 一個(gè)面與發(fā)光體相鄰接，該薄膜透明。該薄膜的另一個(gè)面假想地 被最大內(nèi)切圓的直徑在0. 4 ^m以上且1. 0 mm以下的多個(gè)微小區(qū) 域5分割，且一個(gè)該微小區(qū)域(5與其它多個(gè)該微小區(qū)域(5相鄰且 被其它該多個(gè)微小區(qū)域5包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域5由多個(gè)徵小 區(qū)域5 i和除了該多個(gè)微小區(qū)域51以外的多個(gè)微小區(qū)域5 2構(gòu)成，
所述微小區(qū)域Sl和所迷微小區(qū)域5 2，使垂直于所述另一個(gè)面入 射的光中透過所述微小區(qū)域Sl的光和透過所述微小區(qū)域《2的
光之間產(chǎn)生180度的相位差。
能夠使所迷微小區(qū)域5為多角形且該多角形的形狀相互完全 相同。 本發(fā)明中的第一種發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)如下該發(fā)光裝置包括發(fā) 光體和設(shè)置在該發(fā)光體的發(fā)光面上的透明保護(hù)層。所述保護(hù)層的 與所述發(fā)光面相鄰的面的相反一側(cè)的面，假想地被最大內(nèi)切圓的 直徑在0. 2/im以上且1. 5/zm以下的多個(gè)微小區(qū)域5分割，且一 個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該微小區(qū)域<5相鄰且被其它多個(gè)該微 小區(qū)域5包圍，所迷多個(gè)微小區(qū)域5由以40%以上且98%以下的 比率從該多個(gè)微小區(qū)域5中選出的多個(gè)微小區(qū)域51、和除了該多 個(gè)微小區(qū)域51以外的多個(gè)微小區(qū)域52構(gòu)成，所述微小區(qū)域(5 i, 相對于與所述另一個(gè)面平行的規(guī)定的基準(zhǔn)面朝著所述另一個(gè)面的 上方突出，突出高度是d/2，所述微小區(qū)域5 2，相對于所迷規(guī)定 的基準(zhǔn)面朝著所述另一個(gè)面的下方凹陷，凹陷深度是d/2，所迷 規(guī)定的基準(zhǔn)面位于所述微小區(qū)域51和所述微小區(qū)域5 2的在與所 述另一個(gè)面垂直的方向上的中間位置，所述發(fā)光體發(fā)出光鐠的中心波長是A的光，所述保護(hù)層的折射率是m，所述保護(hù)層在所迷 相反一側(cè)的面接觸的介質(zhì)的折射率比是no，riD比m小，入/6(n廣no) < d <〃 (ni-no)。 本發(fā)明中的第二種發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)如下該發(fā)光裝置包括發(fā) 光體和設(shè)置在該發(fā)光體的發(fā)光面上的透明保護(hù)層。所述保護(hù)層的 與所述發(fā)光面相鄰的面的相反一側(cè)的面，假想地被最大內(nèi)切圓的 直徑在0.2〃m以上且1.5vm以下的多個(gè)微小區(qū)域5分割，且一 個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該微小區(qū)域5相鄰且被其它該多個(gè)微 小區(qū)域5包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域5中的每一個(gè)微小區(qū)域5 ,以 相對于與所述另一個(gè)面平行的規(guī)定的基準(zhǔn)面而言范圍在0以上且 d/2以下的隨機(jī)高度位于上方或者范圍在0以上且d/2以下的 隨機(jī)深度位于下方，所述規(guī)定的基準(zhǔn)面，在存在于與所述另一個(gè) 面垂直的方向上的最高位置的所述微小區(qū)域5和存在于最低位置 的所述微小區(qū)域(5的中間位置上，所述發(fā)光體發(fā)出光譜的中心波 長是A的光，所述保護(hù)層的折射率是ni,所述保護(hù)層在所述相反 一側(cè)的面接觸的介質(zhì)的折射率比是no， no比ni小，義/6 (m-no) 〈d 〈A/ (m-no)。 本發(fā)明中的第三種發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)如下該發(fā)光裝置包括發(fā) 光體和設(shè)置在該發(fā)光體的發(fā)光面上的透明保護(hù)層，所述保護(hù)層的 與所述發(fā)光面相鄰的面的相反一側(cè)的面，假想地被最大內(nèi)切圓的 直徑在0. 4//m以上且1. 0//ffl以下的多個(gè)微小區(qū)域(5分割，且一 個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該微小區(qū)域5相鄰且被其它該多個(gè)微 小區(qū)域(5包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域5由多個(gè)微小區(qū)域5i和除了該 多個(gè)微小區(qū)域5 i以外的多個(gè)徵小區(qū)域(5 2構(gòu)成，所述微小區(qū)域51 和所述微小區(qū)域(？2，使從所述發(fā)光體垂直入射到所述保護(hù)層的與 所述發(fā)光面相鄰的面的光中透過所述微小區(qū)域5 i的光和透過所 述微小區(qū)域(？2的光之間產(chǎn)生180度的相位差。
能夠使所述介質(zhì)是空氣。 能夠使所述介質(zhì)是氣凝膠。
ii
當(dāng)所述發(fā)光體的發(fā)光部分的折射率是ii2時(shí)，能夠使m—ni〈 0.1。
-發(fā)明的效杲- 如上所述，因?yàn)槟軌蛑貜?fù)取出超過臨界角的光，所以取光效 率大幅度地改善；由于成為在隨機(jī)結(jié)構(gòu)下的衍射，所以衍射方位 位失去了規(guī)律性，而能夠抑制外來光映入、方位不同光的強(qiáng)度就 不同而產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布、色彩失去平衡等。


圖1是示出第 一 實(shí)施方式中有機(jī)EL元件的剖面結(jié)構(gòu)和光的傳 播情況的圖。
2 (a)是第一實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的一部分的放大圖。圖2 (b)是更廣范圍內(nèi)的圖案圖。
圖3是說明第一實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的透光率t對入射角的 依賴性的說明圖，圖3 (a)是說明第一次的透光率對入射角的依 賴性的說明圖，圖3 (b)是說明第二次的透光率對入射角的依賴 性的說明圖。
圖4是說明第一實(shí)施方式中從表面結(jié)構(gòu)取出的光的量對入射 角的依賴性的說明圖，圖4 (a)是說明第一次取出的光的量對入 射角的依賴性的說明圖，圖4 (b)是說明第二次取出的光的量對 入射角的依賴性的說明圖。
圖5是說明第一實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的取光效率的說明圖。 圖6 (a)是說明第二實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的取光效率的說明 圖，圖6 (b)是說明第三實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的取光效率的說明 圖。
圖7 (a)到圖7 (e)是說明到?jīng)Q定出第四實(shí)施方式中的表面 結(jié)構(gòu)的圖案為止的說明圖。
圖8(a)是表示第六實(shí)施方式中第"表面結(jié)構(gòu)的圖，圖8(b) 是表示第六實(shí)施方式中第二表面結(jié)構(gòu)的圖。
圖9 (a)、圖9 (b)是說明其它實(shí)施方式中有機(jī)EL元件的剖
12面結(jié)構(gòu)和光的傳播情況的說明圖。
圖IO是表面結(jié)構(gòu)呈方格形狀的圖案圖。
圖ll是說明圖10所示的表面結(jié)構(gòu)的透光率t對入射角的依 賴性的說明圖。
圖12 (a)到圖12 (c)是說明突起物的隨機(jī)布置方法的說明圖。
圖13 (a)到圖13 (h)是說明折射面的光場(field oflight) 邊界條件的說明圖。
圖14是說明有機(jī)EL元件的剖面結(jié)構(gòu)和光的傳播情況的說明
圖。
圖15 (a)是表示折射率的階梯狀變化情況的圖，圖15 (b) 是表示折射率的平緩變化情況的圖，圖15 (c)是表示折射面的 入射角與透光率的關(guān)系的圖，圖15 (d)是表示折射面的圖。
圖16 (a)是說明多層結(jié)構(gòu)的透明基板的圖，圖16 (b)是說 明能夠取出的光的范圍的圖。
圖17 (a)是在界面處具有周期結(jié)構(gòu)的衍射光柵的發(fā)光裝置 的剖視圖，圖17 (b)是表示圖17 (a)中的上表面的圖。
圖18是說明衍射光柵帶來的衍射方位的說明圖。
圖19 (a)是表示在表面包括隨機(jī)設(shè)置的突起的發(fā)光裝置的 剖視圖，圖19 (b)是表示圖19 (a)中的上表面的圖。
圖20 (a)是配置有針孔之例的圖，圖20 (b)是配置有移相 器之例的圖。
圖21是表示隨機(jī)地配置有180度移相器的折射面的透光率與
入射角之間的關(guān)系的圖。
圖22是表示具有調(diào)整層的發(fā)光裝置的剖枧圖。
圖23是表示在與調(diào)整層的邊界處也設(shè)置有表面結(jié)構(gòu)的發(fā)光
裝置的剖視圖。
圖24是表示第一實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的透光率t對入射角的 依賴性的實(shí)驗(yàn)說明圖。圖25是表示隨機(jī)地配置有180度移相器的折射面的透光率 與入射角之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)說明圖。
圖26是用以測量相對于入射角的透光率的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖27是說明第二實(shí)施方式的取光效率的說明圖。
圖28是說明從第一實(shí)施方式的表面結(jié)構(gòu)射出的光對視角的 依賴性的說明圖。
圖29是說明從第一實(shí)施方式的表面結(jié)構(gòu)射出的光對視角的 依賴性的說明圖。
圖30是說明從方格圖案的表面結(jié)構(gòu)射出的光對視角的依賴 性的說明圖。
一符號(hào)說明一 l —基板，2—電極，3 —發(fā)光層，4 —透明電極，5 —透明基板， 6—空氣，13 —表面結(jié)構(gòu)，S—發(fā)光點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
在說明本申請發(fā)明的實(shí)施方式以前，以專利文獻(xiàn)1、專利文 獻(xiàn)2等已有例為本，對到做出本申請發(fā)明為止的研究歷程進(jìn)行一 下說明。 圖15是說明在折射面(透明層表面與空氣層的界面)的透光 率的說明圖。從折射率為1. 5的透明層107的內(nèi)部沿著紙面方向 以角度0入射到透明層107的折射面107a，再在空氣一側(cè)(折射 率1.0)折射的光的透光率與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。通常情況下， . 沿著折射面107a附近的法線分布的折射率分布呈圖15 (a)所示 的階梯形狀。P偏振光(電場矢量平行于紙面的振動(dòng)成分)顯示 出曲線108a那樣的透光率特性，S偏振光(電場矢量垂直于紙面 的振動(dòng)成分)顯示出曲線108b那樣的透光率特性。入射角在臨界 角(=41. 8度)以下時(shí)，P偏振光和S偏振光所顯示的特性有所不 同，但入射角 一超過臨界角，P偏振光和S偏振光的透光率就都 成為0。
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另一方面，若假定透明層107的表層部分為多層結(jié)構(gòu)，折射 率分布成為圖15 (b)所示那樣的楔形形狀。P偏振光顯示出曲線 108A那樣的透光率特性，S偏振光顯示出曲線108B那樣的透光率 特性。 一超過臨界角，P偏振光和S偏振光的透光率就都成為0 這一點(diǎn)沒有變化，但在臨界角以下的透光率接近100%,近似于 以臨界角為界的階梯函數(shù)的形狀。圖15 (b)示出的是針對以下 結(jié)構(gòu)計(jì)算得出的結(jié)果，該結(jié)構(gòu)是疊層50層折射率從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 變化梯度越平緩，P偏振光和S偏振光之差就會(huì)消失，結(jié)杲就是 透光率相對于入射角的關(guān)系曲線就都接近階梯函數(shù)。 為了不發(fā)生全反射，就需要在使入射到折射面的光的入射角 小于等于臨界角這一方面下工夫。所下的工夫之一是以專利文 獻(xiàn)l為例，研究探討了使用了圖17所示的在透明基板205和透明 電極204的界面設(shè)置有衍射光柵209的有機(jī)EL元件的發(fā)光裝置。 如圖17 (a)所示，電極202、發(fā)光層203、透明電極204以 及衍射光柵層209按此順序疊層在基板201上，在衍射光柵層209 上設(shè)置有透明基板205。衍射光柵層209在它與透明基板205之 間在X方向和Y方向上都呈現(xiàn)間距A的凹凸周期結(jié)構(gòu)，凸部的形 狀是圖17 (b)所示那樣的寬度W的正方形，讓該凸部呈鋸齒狀 排列。將電壓施加在電極202與透明電極204之間，就會(huì)在發(fā)光 層203的內(nèi)部的點(diǎn)S發(fā)光，該光直接或者在電極202反射后，透 辻透明電極204，透過衍射光柵層209并在衍射光柵層209發(fā)生 衍射。例如，若假定從點(diǎn)S射出的光210a在衍射光柵層209不發(fā) 生衍射，而直線傳播，則光210a會(huì)象光210b那樣，以臨界角以 上的角度入射到透明基板205的折射面205a并進(jìn)行全反射，但實(shí) 際上光210a在衍射光柵層209發(fā)生衍射，所以光210a就象光210c 那樣，對折射面205a的入射角變得比臨界角小，能夠透過該折射 面205a。
參考圖18說明由上述衍射光柵帶來的衍射方位。考慮的是以角度6從折射率riA的透明層207內(nèi)部沿著紙面方向入射到透明層
207的折射面207a上的點(diǎn)0，在折射率nB的透明層206 —側(cè)衍射
的波長A的光。在折射面207a形成有沿著紙面呈間距為A的衍射
光柵。紙面上描繪出以點(diǎn)0為中心、半徑ru的圓211和半徑m
的圓212。將入射矢量210i (始點(diǎn)落在圓211的圓周上，以角度
夕指向點(diǎn)0的矢量)在折射面207a上的正投影矢量(從垂線與折
射面207a的交點(diǎn)A指向點(diǎn)0的矢量)定為2101，描繪出以點(diǎn)O
為起始點(diǎn)、終點(diǎn)落在圓212的圓周上的矢量210r,保證正投影矢
量21服與矢量2101成為同一個(gè)矢量?？紤]以垂線與折射面207a
的交點(diǎn)C為始點(diǎn)，大小為q;i/A的矢量(光柵矢量)。其中，q
是衍射級數(shù)(整數(shù))。圖中，描繪出了 q=l時(shí)的矢量210D，終點(diǎn)B
是垂線與折射面207a的交點(diǎn)；也描繪出了以點(diǎn)O為始點(diǎn)、終點(diǎn)落
在圓212的圓周上的矢量210d。從作圖的方法來看，矢量210r
的方位角^ (與折射法線所成的角度)由下式給出。
nBXsin0 = nAXsin0 (式4)
這正是斯內(nèi)爾定律。另一方面，給出了衍射光線的方位的矢
量210d的方位角^'(與折射法線所成的角度)由下式給出。
nBXsi一'= ruXsin0 — d入/ A (式5)
其中，因?yàn)閳D18所示的情況下的0'跨越z軸(通過點(diǎn)0 的折射法線)，所以將0'定義為負(fù)角。 也就是說，衍射光線的方位從折射光線偏離了 q A / A那么 多。在圖17中，假定不發(fā)生衍射的光線210b相當(dāng)于折射光線， 發(fā)生衍射的光線210c的方位從光線210b偏離了 q A / A那么多， 由此而避免了在折射面205a發(fā)生全反射。結(jié)果是，由于能夠取出 應(yīng)該成為全反射的光，所以與不具有衍射光柵層的有機(jī)EL元件相 比，完全能夠預(yù)見到取光效率會(huì)提高。 但是，在考慮圖17 (a)中從點(diǎn)S射出的光210A的時(shí)候，若 假定光210A在衍射光柵層209不衍射而直線傳播，則光210A會(huì) 象光210B那樣，以臨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折射并透過折射面205a。但因?yàn)楣?10A 實(shí)際上是在衍射光柵層209衍射，所以光210A會(huì)象光210C那樣， 對折射面205a的入射角變得大于臨界角，以臨界角以上的角度入 射到折射面205a，并發(fā)生全反射。因此即使設(shè)置衍射光柵層209， 也并非一定能夠確保取光效率提高。 在利用了圖17所示的有機(jī)EL元件的發(fā)光裝置中，所有的光 線的方位一律位移了 Q A/A而成為衍射光。由于含有這樣的衍 射光的光的方位引起光強(qiáng)度分布，位移幅度qA /A又依賴于射 出光的波長A ，所以顏色會(huì)由于光射出的方位不同而失去平衡。 也就是說，看去的方向不同，所看到的光的顏色就不同，作顯示 屏用當(dāng)然不合適，作光源用也不合適。 其次，以專利文獻(xiàn)2為例，對使用了圖19所示的、在透明基 板305的表面上設(shè)置有突起物315的有機(jī)EL元件的發(fā)光裝置進(jìn)行 了研究。如圖19 (a)所示，電極302、發(fā)光層303、透明電極304 以及透明基板305按此順序疊層在基板301上，在透明基板305 的表面305a形成有多個(gè)突起物315。如圖19 (b)所示，在透明 基板表面305a上隨機(jī)的位置上布置有該多個(gè)突起物315,每一個(gè) 突起物315都是寬度w、高度h的四棱柱狀物體。W的大小在0. 4-20 /zm的范圍內(nèi)，li的大小在0. 4-10/zm的范圍內(nèi)，以范圍在5 000-1 000 000個(gè)/咖2的密度形成這樣的突起物315。將電壓施加在電 極302和透明電極304之間，就會(huì)在發(fā)光層303的內(nèi)部的點(diǎn)S發(fā) 光，該光310d直接或者在電極302反射后，透過透明電極304， 該光310d有一部分通過突起物315象310f那樣被取出到外面。 實(shí)際的突起物315能夠利用側(cè)向蝕刻加工為越靠近頂端越細(xì)的形 狀，即使不進(jìn)行側(cè)向蝕刻加工，實(shí)效折射率所取的值也是透明基 板305和空氣的中間附近的值，所以等效于使折射率分布緩慢地 變化。因此，由于分布接近圖15 (b)所示的折射率分布，所以 利用突起物315能夠部分防止310e所示的光發(fā)生反射。結(jié)果是， 能夠使取光效率提高。即使將突起物315的尺寸設(shè)定在波長以上，
17也會(huì)因?yàn)橥黄鹞?15是隨機(jī)排列著的，而能夠抑制被取出的光之 間相互干涉。 但是，假定結(jié)構(gòu)如圖19所示的發(fā)光裝置中，突起物具有專利 文獻(xiàn)2中所主張的反射防止效果，則從對圖15 (c)的曲線108a、 108b和曲線108A、 108B的比較可知，透光率的提高僅僅歸功于 臨界角以下的光，對取光效率的改善停留在10%、 20%左右，沒 有希望會(huì)得到很大的改善。 本申請發(fā)明人進(jìn)行了以上的研討，并根據(jù)這些研討進(jìn)一步研 究探討了如何減少在折射面被全反射的光量，以增加能夠取出 的光量。所做的進(jìn)一步研究探討是從光在折射面的邊界條件入手 的。
圖13示意地顯示在折射面的光場的邊界條件，考慮的是寬W 的光入射到折射面T的情況。由麥克斯韋爾方程式可知，電場矢 量或者磁場矢量沿夾著折射面T繞了一周的路徑A的積分是0。 但前提條件是， 一周回路內(nèi)部沒有電荷、光源，沿折射面T的電 場矢量或者磁場矢量的強(qiáng)度、相位連續(xù)。 如圖13 (a)所示，在寬度W充分大的情況下，與沿折射面 的寬度s相比，能夠使與折射面正交的寬度t小到可以忽視的程 度，閉合路的積分中只有沿折射面的成分剩下。由該關(guān)系能夠求 出電場矢量或者磁場矢量夾著折射面連續(xù)。利用該連續(xù)性關(guān)系導(dǎo) 出的是菲涅耳方程式，該方程式對折射定律、全反射現(xiàn)象做出了 非常完美的解釋。 如圖13 (b)所示，若光的寬度W小到波長的幾十倍以下， 就不能夠忽視寬度t 了。此時(shí)，若將閉合路的積分A分為B和C (參考圖13(c))，則閉合路的積分B因?yàn)榘ㄔ诠馐鴥?nèi)而成為0。 因?yàn)樵诠馐獾碾妶鍪噶炕蛘叽艌鍪噶渴?，所以剩下的閉合線 積分C僅有在光束內(nèi)的路徑PQ的積分值剩下(參考圖13 (d))。 因此，閉合路的積分C不會(huì)是0，從計(jì)算結(jié)果來看等效于光在閉 合路內(nèi)發(fā)光。而且，若光的寬度W小到波長1/10左右，則如圖13 (e)所示，閉合路的積分C和C'接近，路徑PQ和Q' P，重 疊，因此將閉合路的積分C和C'之和成為O,光就不會(huì)在閉合路 內(nèi)發(fā)光了。 另一方面，如圖13 (f)所示，考慮的是在具有相位差；r的 光沿折射面排列的情況下，跨越這些光束的閉合路的積分A。在 該情況下，也是若光的寬度W小到波長的幾十倍以下，就不能夠 忽視寬度t 了。此時(shí)，若將閉合路的積分A分為B、 C和B'(參 考圖13 (g))，其中的閉合路的積分B、 B'就會(huì)因?yàn)榘ㄔ谠摴?束內(nèi)而成為0。剩下的閉合路的積分C的沿折射面的成分能夠忽 視，最后剩下的儀是沿兩個(gè)光束的邊界的路徑PQ和Q' P'的積 分值(參考圖13 (h))。因?yàn)樵诠馐南辔皇?r的場的路徑Q' P' 的積分與在光束的相位是O的場的路徑P' Q'的積分相等，所以 閉合路的積分C的大小成為在路徑PQ的積分的2倍，從計(jì)算結(jié)果 來看等效于光在閉合路內(nèi)發(fā)光。因此，就是在不僅排列有寬度較 窄的光，相位不同的光也夾著寬度窄的光排列的情況下，光也會(huì) 產(chǎn)生在寬度的邊界附近(是一種并非實(shí)際上產(chǎn)生了光，而是采取 了實(shí)效與發(fā)光一樣的舉動(dòng)的現(xiàn)象。因?yàn)樵摤F(xiàn)象與衍射理論成立以 前楊氏所提倡的邊界衍射現(xiàn)象相似，所以稱為邊界衍射效果)。
不管在折射面T的入射條件如何，只要在折射面上有發(fā)光， 該光就會(huì)在夾著折射面的兩介質(zhì)中傳播。也就是說， 一般認(rèn)為 只要從計(jì)算結(jié)果來看會(huì)在折射面發(fā)光，即使是臨界角以上的入射 光也不發(fā)生全反射，而出現(xiàn)透過光。因此，本申請發(fā)明人利用這 些考察結(jié)果對折射面的結(jié)構(gòu)做了下述的研究探討。該折射面用以 讓即使超過臨界角光也透過的現(xiàn)象實(shí)際發(fā)生。 邊界衍射效果較強(qiáng)之例如下。如圖20所示，在安裝在發(fā)光體 上的透明基板與空氣的邊界面，(a)設(shè)置針孔，將除此以外的地 方遮光，發(fā)出針孔光(口光僅存在于w內(nèi))之例，(b)在以寬度 w劃分好的棋盤的目上隨機(jī)地配置180度的移相器18之例。此外， 最初用針孔進(jìn)行了研究探討，但因?yàn)榭酷樋讕缀鯚o法取出具有現(xiàn)
19實(shí)意義的光，所以對所認(rèn)為的取光特性與針孔一樣的隨機(jī)布置移 相器也進(jìn)行了研究探討。 圖21是說明在圖20所示的結(jié)構(gòu)下折射面的透光率t對入射 角的依賴性的說明圖。設(shè)光的波長為0.635//m,在折射率1.457 的透明基板內(nèi)光量為l的光以角0 (與折射法線所成的角度)入 射到與空氣的邊界面，以寬度w為參數(shù)(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氣一側(cè)(因 為針孔光與180度移相器所顯示的特性完全相同，所以代用180 度移相器)。當(dāng)超過臨界角(43. 34度)時(shí)，接近圖13 (a)所示 的條件w二20〃m的特性就是透光率幾乎成為0。若w小到0.4—1. 0 "m，即使超過臨界角，也會(huì)由于在圖13 (d)、圖13 (h)所說明 的邊界衍射效果而存在很大的透光率。若進(jìn)一步減小w (w=0. 1、 0. 2//m)，則如以圖13 (e)所做的說明那樣，在任一入射角下透 光率都接近O。此外，圖21是根據(jù)玄姆霍茲(Helmholtz)波動(dòng) 方程式(所謂的標(biāo)量波動(dòng)方程式)得到的解析結(jié)果，P偏振光和S 偏振光之差尚未出現(xiàn)。 圖25是表示P偏振光入射時(shí)第一次的透光率t對入射角的依 賴性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因?yàn)槲⒓?xì)的移相器18實(shí)際上是很難制造的，所 以代為使用讓相位0度的部分透過，讓相位180的部分被遮光膜 (Cr膜)覆蓋的掩模(所謂的將遮光膜隨機(jī)地設(shè)置在以寬度w劃 分的棋盤的目上之例，與隨機(jī)地布置針孔光之例相同)，進(jìn)行了實(shí) 驗(yàn)。實(shí)際上制作出來的掩模圖案，其寬度w是O. 6、 0.8、 1.0、 2.0、 5.0//m。如圖26所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括半導(dǎo)體激光(波長 0. 635/zm)、三角棱鏡58 (BK7)、掩?；?9 (合成石英、折射 率1.457、背面形成有掩模圖案)、聚光物鏡系統(tǒng)50、光檢測器 51。夾著折射率為1. 51的匹配液52讓三角棱鏡與掩?；宓谋?面緊密接觸， 一邊從三角棱鏡一側(cè)測量方位角， 一邊使激光入射， 在聚光透鏡系統(tǒng)50將從背面一側(cè)漏出來的透過光會(huì)聚起來，用光 檢測器51測量透過的光量。在使用掩模的情況下，相當(dāng)于總面積的1 / 2的遮光膜部分被遮光，透過光量就成為使用移相器的情況 下的1/2。所以，是用入射到?jīng)]有遮光膜的部分的光量(總光量
的1 / 2)將透光率t標(biāo)準(zhǔn)化的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖21所示的解析結(jié)
果完全相同，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知即使超過臨界角(43.34度)也
存在較大的透光率，且w越小，這一傾向就越強(qiáng)烈。
本申請發(fā)明人根據(jù)這樣的結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行了研究探討，實(shí)現(xiàn)
了至今所未曾有的發(fā)光裝置，該發(fā)光裝置防止了全反射，使取光
效率有了飛躍性的提高。
下面，參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。在以下
各圖中，為筒化說明，用同一參考符號(hào)表示實(shí)質(zhì)上具有同一功能
的構(gòu)成要素。
(第一實(shí)施方式)
根據(jù)圖1到圖5 (a)、圖5 (b)、圖28以及圖29對第一實(shí)施
方式進(jìn)4于說明。 圖1示出了使用了第一實(shí)施方式中的有機(jī)EL元件的發(fā)光裝置 的剖面結(jié)構(gòu)和光的傳播情況。電極2、發(fā)光層3以及透明電極4 按此順序疊層在基板1上，透明基板(透明的保護(hù)層)5形成在 透明電極4上。由基板l、電極2、發(fā)光層3以及透明電極4構(gòu)成 發(fā)光體。在透明基板5的表面形成有被劃分為微小區(qū)域且具有微 細(xì)的凹凸的表面結(jié)構(gòu)13。 將電壓施加在電極2、透明電極4之間，就會(huì)在發(fā)光層3的 內(nèi)部的點(diǎn)S發(fā)光，該光直接或者在電極2反射后，透過透明電極 4，與表面的法線成角度0地入射到透明基板5的表面的表面結(jié)構(gòu) 13上的點(diǎn)P，在該點(diǎn)由于表面結(jié)構(gòu)13的作用折射，射出到空氣6 層一側(cè)。 若設(shè)空氣6層的折射率是n0，透明基板5的折射率為nl，則 當(dāng)入射角^大于臨界角6c=sin-l (nO/nl)時(shí)，就應(yīng)該發(fā)生全反 射。但是，因?yàn)樵谕该骰?的表面具有表面結(jié)構(gòu)13，所以即使 光以臨界角以上的角度入射到點(diǎn)Q，該光也不會(huì)在點(diǎn)Q發(fā)生全反射，而是發(fā)生折射，并射出到空氣6層一側(cè)(第一次取光)。此
夕卜，在點(diǎn)Q，有一部分光反射，但該反射成分在電極2反射后， 再次入射到表面結(jié)構(gòu)13上的點(diǎn)R，有一部分射出到空氣6層一側(cè) (第二次取光)，剩下的反射。無限地重復(fù)進(jìn)行以上過程。
這里，考慮使用了沒有表面結(jié)構(gòu)13的現(xiàn)有有機(jī)EL元件的發(fā) 光裝置，因?yàn)橐耘R界角以上的角度從透明基板一側(cè)入射到透明基 板與空氣層的界面的光發(fā)生全反射，該光即使在電極發(fā)生反射， 也會(huì)再次以臨界角以上的角度再次入射到透明基板與空氣層的界 面，所以取光不會(huì)出現(xiàn)兩次或兩次以上，這一點(diǎn)與該實(shí)施方式不 同。
下面，對該實(shí)施方式的特征即表面結(jié)構(gòu)13進(jìn)行詳細(xì)的說明。
圖2示出了第一實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)13的圖案圖。圖2(a) 中左邊的圖是俯視圖，右邊的圖是俯視圖中的A-A線的剖視圖。 如圖2 (a)所示，假想地將透明基板5的表面無間隙地分割為寬 度w (邊界寬度)的棋盤的目(正方形的微小區(qū)域5)， 一個(gè)一個(gè) 的目(微小區(qū)域5)為凸(圖中的13a(微小區(qū)域(5i)、灰色的目)、 還是相對于該凸為凹((圖中的13b (微小區(qū)域52)、白色的目) 以各為50%的比率隨機(jī)地分配，即形成表面結(jié)構(gòu)13。圖2 (b) 示出的是w二0.4"m時(shí)的例子(黑色表示凸，白表示凹)。從凹的 底部開始算起凸的突出高度是d。也就是說， 一個(gè)微小區(qū)域5與 其它的多個(gè)微小區(qū)域(5相鄰，且被其它的多個(gè)微小區(qū)域(5包圍。 微小區(qū)域5i比微小區(qū)域52還突向透明基板5的表面的上方。若 將微小區(qū)域(5i和微小區(qū)域52在與透明基板5的表面垂直的方向 上的中間位置決定為與透明基板5的表面平行的基準(zhǔn)面，則微小 區(qū)域5i從基準(zhǔn)面朝上方突出d/2，微小區(qū)域52從基準(zhǔn)面朝下方 凹進(jìn)d/2?；蛘呖梢赃@樣說，在透明基板5的與空氣6層的邊界 面存在多個(gè)凹陷(白色部分)，凹陷以外的部分的上面位于同一個(gè) 面上，凹陷的深度實(shí)質(zhì)上分別是同一個(gè)d,若以該凹陷的底面為 第一基準(zhǔn)面，則第一基準(zhǔn)面被具有1. 5x1. 5〃m2以下的相等面積
22的多個(gè)微小區(qū)域5假想地分割開，凹陷的底面成為兩個(gè)以上的微 小區(qū)域5連接在一起的形狀，或者僅為 一個(gè)微小區(qū)域5的形狀。 也可以說凹陷隨機(jī)地布置在第一基準(zhǔn)面上，此外，第一基準(zhǔn)面是 與上述基準(zhǔn)面不同的面。
可以采用以下方法形成表面結(jié)構(gòu)13。制作已靠蝕刻形成了凹
凸的模具，再通過擠壓將該形狀轉(zhuǎn)印到薄膜狀的樹脂上，然后以
該薄膜作透明基板5，夾著粘接層將該透明基板5貼合到透明電 極4上。此時(shí)，透明基板5就是透明薄膜。還可以采用以下方法 形成表面結(jié)構(gòu)13。即，對薄膜的表面或者作為保護(hù)層形成的透明 基板5的表面直接蝕刻等來形成凹凸。
因?yàn)橛捎谶@樣的隨機(jī)圖案而發(fā)生衍射的光其傳播方位也是隨 機(jī)的，所以不會(huì)專利文獻(xiàn)1所公開的發(fā)光裝置那樣存在方位不同 而產(chǎn)生的光強(qiáng)度強(qiáng)弱分布，色彩也就不會(huì)受方位的影響而失去平 衡。從外界(空氣層一側(cè))入射的光在透明基板5表面的表面結(jié) 構(gòu)13發(fā)生反射，但是因?yàn)樵摲瓷涔庋苌涞姆轿皇请S機(jī)的，所以外 界的像不會(huì)映入進(jìn)來，也就不需要進(jìn)行形成反射防止膜等的光學(xué) 處理，從而能夠?qū)a(chǎn)品成本抑制得較低。圖28和圖29是說明圖， 表示從第一實(shí)施方式的表面結(jié)構(gòu)射出的第一次取出光對視角的依 賴性的解析結(jié)果。示出的是高度差d二O. 7/zm，波長A和邊界寬度 w是參數(shù)的情況。以下是各圖的條件。圖28 (a)中，；i =0.450 //m， w=0. 5#m;圖28 (b)中，635//m, w=0. 5//m;圖28 (c)中，入0.450/zm， w二1.0〃m;圖28 (d)中，A=0.635//m， w二l. 0//m。圖29 (a)中，A=0. 450〃m， w=l. 5;zm;圖29 (b) 中，A=0. 635〃m， w=l. 5〃m;圖29 (c)中，A=0. 450/zm， w=2. 0 //m;圖29 (d)中，A=0. 635//m， w二2. 0/zm。將原點(diǎn)與曲線上 的點(diǎn)連接起來的矢量表示射出光的光強(qiáng)度和射出方位。矢量的長 度對應(yīng)于光強(qiáng)度，矢量的方位對應(yīng)于射出方位?？v軸對應(yīng)于法線 軸的方位，橫軸對應(yīng)于面內(nèi)軸的方位。實(shí)線表示在沿著圖2(b) 中的x軸或y軸的剖面(0度、90度的經(jīng)度方位)的特性；虛線表示在沿著面內(nèi)軸是y二x或y卜x的直線的剖面(45度、135度的 經(jīng)度方位)的特性(因?yàn)?0度方位的結(jié)杲和O度方位的結(jié)果一致， 135度方位的結(jié)杲和45度方位的結(jié)果一致，所以省略圖示90度 方位和135度方位的結(jié)果)。邊界寬度w二O. 5、 1. 0〃m時(shí)，實(shí)線、 虛線都表示相對偏角(綿度)具有平緩的變動(dòng)(亦即伴隨視差的 強(qiáng)度差很小)且二者一致。若使w增大，w二2. 0/zm，則相對于在 法線方向附近的偏角的強(qiáng)度變動(dòng)大，A二0.450〃m時(shí)，實(shí)線與虛 線間的乖離也變大。w二l. 5/im是開始出現(xiàn)強(qiáng)度變動(dòng)的最低條件。 因此，在邊界寬度w在1. 5/zm以下的條件下視角依賴性如下經(jīng) 度方向的光強(qiáng)度差小，法線方向的光強(qiáng)度強(qiáng)，相對于偏角(煒度) 的變動(dòng)緩慢。 圖3是說明第一實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)13的透光率t對入射角 的依賴性的說明圖，圖3 (a)示出了在透明基板5內(nèi)光量為1的 光以角0 (與折射法線所成的角度)入射，第一次有多少射出到 空氣6層一側(cè)。圖3 (b)示出了在表面結(jié)構(gòu)13反射，在電極2 發(fā)生反射后，再次入射到表面結(jié)構(gòu)13的情況。也就是說，第二次 透光率對入射角的依賴性。任一幅圖中的條件都是，透明基板5 的折射率m二i. 457，空氣6的折射率wfI. 0 ，光的波長入=0. 635 /zm，微小區(qū)域5i相對徵小區(qū)域52的突出高度cK).70/2m，微小 區(qū)域5i的面積比率(亦即是凸的比率)P=0. 5，表面結(jié)構(gòu)的寬度 w為參數(shù)(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相當(dāng)于讓垂直入射時(shí)在凹部的透過光 與在凸部的透過光產(chǎn)生180度的相位差。 圖3 (a)中，除了在w^. 1、 0. 2/zm時(shí)的結(jié)果不同以外，其 它寬度下的結(jié)果都接近在180度移相器的結(jié)果(圖21),即使超 過臨界角，也存在較大的透光率。圖24是表示P偏振光入射時(shí)透 光率t對入射角的依賴性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)際利用電子束法在石英 基板上形成深度(1=0. 70、邊界寬度wK). 4的凹凸隨機(jī)圖案，用圖 26所示的測量裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖3(a)所示的解析結(jié)果非常一致，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知即使超過臨界角(43.34度)也 存在較大的透光率。如在該實(shí)施方式之前所說明的那樣，不管在 折射面入射條件如何，若在折射面上具有等效的發(fā)光(所謂的邊 界衍射效果)，該光就在夾著折射面的雙方的介質(zhì)內(nèi)傳播。因?yàn)橐?在折射面上產(chǎn)生等效的發(fā)光為條件，所以能夠說明圖3所示那樣 的即使入射的光超過臨界角它也會(huì)透過的現(xiàn)象。 假定光由于點(diǎn)發(fā)光而在透明基板5內(nèi)成為球面波，均勻地?cái)U(kuò) 散，則從發(fā)光方位角0 (與上述入射角0—致)到6+d0之間的 光量的總和就與sin^d^成正比。因此，取出的光量就與對圖3 (a)、圖3 (b)所示的透光率t乘以sin6后所得到的值成正比。 圖4 (a)和圖4 (b)是說明在第一實(shí)施方式的表面結(jié)構(gòu)下取出光 量對入射角的依賴性的說明圖。也就是說，圖4 (a)示出的是 在透明基板5內(nèi)的一點(diǎn)(實(shí)際上是發(fā)光層內(nèi)的點(diǎn))發(fā)光的光量為 1的光以角6 (與折射法線所成的角度)入射到表面結(jié)構(gòu)上，第 一次有多少射出到空氣6層一側(cè)；圖4 (b)示出了在表面結(jié)構(gòu)13 反射一次，在電極2發(fā)生反射后，再次入射到表面結(jié)構(gòu)13的情況。 也就是說，第二次取出的光量對入射角的依賴性。 用入射角e對取出光量進(jìn)行積分，就能夠得到取光效率。圖 5 (a)、圖5 (b)是說明第一實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)13的取光效率 的說明圖。在與圖3相同的條件下，橫軸是表面結(jié)構(gòu)13的邊界寬 度w。在圖5 (a)中，示出了表面結(jié)構(gòu)13的突出高度d二0. 07//m 時(shí)的取光效率，還示出了 cN). 1、 0.30、 0.50、 1. 40//m時(shí)的取光 效率(第一次的取光效率？n),又示出了下迷情況的取光效率(第 二次取光效率？7 2)。即，假定往返過程中無光衰減，例如在透明 電極4無吸收，在電極2無反射損失等，在表面結(jié)構(gòu)13反射，再 在電極2發(fā)生反射后，再次入射到表面結(jié)構(gòu)13的情況。曲線5a、 5A分別表示d=0. 70/zm時(shí)的第一次及第二次取光效率，曲線5b、 5B分別表示d:O. 50^ffl時(shí)的第一次及第二次取光效率，曲線5c、 5C分別表示d=0. 30//m時(shí)的第一次及第二次取光效率，曲線5g、5G分別表示d=0. 10/zm時(shí)的第一次及第二次取光效率，因?yàn)榕c其 它深度時(shí)的取光效率相比，d=0. 10〃ffl時(shí)取光效率變小，所以突 出高度d需要在0.20//m以上。如曲線5h所示，當(dāng)突出高度d 成為可見光波長的兩倍以上(d》1.4〃m)時(shí)，在寬度w在O. 5/z m以下的區(qū)域第一次取光效率大大惡化，所以優(yōu)選突出高度d在 1. 4//m以下。因此，d的推薦值在0.2-1.4〃m的范圍內(nèi)。 一般而 言，高度差的推薦值滿足條件;i/ (ni-no) >d>;i/6 (n廣no), 其中m表示透明基板5的折射率是，no表示空氣6的折射率，入 表示光i普的中心波長。 邊界寬度w在0. 4-2//m時(shí)，cKO. 70//m時(shí)的第一次取光效 率都成為極大值。若減小w或者增大w，則第一次取光效率就漸 進(jìn)線地接近O. 27 (由(式3)給出的值，也就是使表面為鏡面時(shí) 的取光效率)。邊界寬度w二O. 10到2. 0〃m之間時(shí)，第二次取光效 率都成為極大值，若增大w，第二次取光效率便漸進(jìn)線地接近0. 00 (在圖5所示的范圍內(nèi)未出現(xiàn))；當(dāng)w《0. 10//m時(shí)，隨著w變小， 收斂于0. 00。 作為參考，圖5 (b)的曲線5d、 5D示出了不是表面結(jié)構(gòu)13， 而在微小區(qū)域Si設(shè)置了讓光的相位轉(zhuǎn)換了 180度的移相器時(shí)的 第一次及第二次取光效率。在該實(shí)施方式中的表面結(jié)構(gòu)13下，凹 部和凸部的傳播光在傳播距離相當(dāng)于二者的高度差的期間內(nèi)產(chǎn)生 相位差。相對于此，在移相器下，假想傳播距離是0時(shí)就產(chǎn)生相 位差。在設(shè)置了移相器的情況下，若使邊界寬度w增大，則第一 次、第二次取光效率就會(huì)分別漸進(jìn)線地接近O. 27、 0.00，這一點(diǎn) 與表面結(jié)構(gòu)13—樣。但是，若使邊界寬度w減小到在0. 3/zm以 下，則不僅第二次取光效率成為0，第一次取光效率也成為0 (理 由已經(jīng)參考圖13 (e)做了說明)。可以認(rèn)為該實(shí)施方式中的表 面結(jié)構(gòu)13在邊界寬度w在0. 4/zm以下的條件下取光效率比移相 器高的理由，是因?yàn)橥共科鸬搅斯獠▽?dǎo)的作用。
設(shè)從透明基板5看到的在透明基板5的表面與電極2之間往
26返的光的透光率為r ，則考慮了往返過程中的光衰減的第二次取 光效率就成為rx"2。取光并不是停留在第一次、第二次，而是 無限地重復(fù)下去。假定能夠用等比級數(shù)表達(dá)該關(guān)系，第一次取光
效率是"i,第二次是取光效率是"2，則能夠預(yù)想得到第n次取 光效率就會(huì)成為7 2x (rx 72/n-l。因此，到第n次的取光
效率的合計(jì)就成為
(數(shù)學(xué)式l)
7lx|>x72/7l)"' (式6) 無限次以后，取光效率就漸進(jìn)線地接近771/ (1—t:x772/ "i)。 觀察以下圖5 (a)中的曲線5a、 5A (d=0. 70//m)， w:O. 60 //m時(shí)，"i二0.318, " 2=0.093，若設(shè)1=0.88，則所得到的取光 效率就是0.428。 w-1.00〃m時(shí)，〃1=0.319， " 2=0. 102，所得到 的取光效率就是0. 444。另一方面，圖14、圖15 (a)所示的現(xiàn) 有發(fā)光裝置，7 f0.274， "2二0，第二次以后全部成為O，合計(jì)就 是0.274。因此可知在w=0. 60//m的條件下，該實(shí)施方式中的 發(fā)光裝置實(shí)現(xiàn)了圖15(a)所示的發(fā)光裝置的1. 56倍的取光效率； 在w4. 00//m的條件下，該實(shí)施方式中的發(fā)光裝置實(shí)現(xiàn)了圖15(a) 所示的發(fā)光裝置的1.62倍。若這樣使w大于0.2^m (—般而言， 就是使與微小區(qū)域5最大內(nèi)切圓的直徑在0.2//m以上)，就能夠 實(shí)現(xiàn)取光效率的大幅度提高。 接下來，考察一下該實(shí)施方式的表面結(jié)構(gòu)13的取光效率是如 {可依賴波長的。 圖5 (a)中的曲線5a'、 5A'、 5h，、 5H'示出的是在波長0.45 "m的條件下，對d-0.70、 1.40//m的第一次及第二次取光效率。 這些特性大致與波長在0.635/zm時(shí)的結(jié)果一致，由此可知能夠 使取光效率伴隨可見光內(nèi)的波長差所產(chǎn)生的變化減小。 因此，即使該實(shí)施方式中的表面結(jié)構(gòu)13是單一的形狀(d和 w)，也能夠得到相對于可見光內(nèi)的全部波長都是接近最佳值的取光效率。結(jié)果是，在該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于顯示裝置的顯示面的情況下，
就無需分別針對RGB三種像素改變表面結(jié)構(gòu)13的形狀，也就能夠
大幅度地簡化結(jié)構(gòu)，大幅度地簡化組裝時(shí)所要做的調(diào)整。 在有機(jī)EL元件中，有時(shí)會(huì)在透明電極4上放置透明的調(diào)整層， 對光在透明基板5和電極2之間往返過程中的透光率進(jìn)行調(diào)整。 在該情況下，透明基板5被放置在調(diào)整層之上(也就是說，可以 稱包括到調(diào)整層為止的有機(jī)EL元件是發(fā)光體)，但在透明基板5 的折射率m小于調(diào)整層的折射率m'的情況下，在透明基板5和 調(diào)整層之間就會(huì)存在發(fā)生全反射的邊界面，特別是在m' - m>0. 1 的情況下，該邊界面的影響就是不可忽視的了 。圖22示出了此時(shí) 的光的傳播情況。 在圖22中，折射率為n2的發(fā)光層3的內(nèi)部的點(diǎn)S發(fā)出的光 直接或者在電極2反射后，透過透明電極4，透過折射率m'調(diào) 整層15,在邊界面15a上的點(diǎn)P ，折射，透過折射率為m的透 明基板5，經(jīng)由透明基板5與空氣6層的邊界面上的點(diǎn)P射出到 空氣6層一側(cè)。這里，ni'》n2>ni> 1.0。此外，ni'小于n2 也無妨，在該情況下，會(huì)在透明電極4與調(diào)整層15之間發(fā)生全反 射。因?yàn)樵谕该骰?的與空氣6層的邊界面上形成有該實(shí)施方 式所涉及的表面結(jié)構(gòu)13，所以即使是超過臨界角的光，也能夠取 出到空氣6層一側(cè)。但是，因?yàn)橛衜' 〉m的關(guān)系，所以也會(huì)在邊 界面15a發(fā)生全反射。也就是說，當(dāng)朝著點(diǎn)Q'以比朝著點(diǎn)P，入 射的入射角還大的入射角入射時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射，該光在與電極 2之間重復(fù)進(jìn)行該全反射，也就不能夠取出到空氣6層一側(cè)。 如圖23所示，在這樣的情況下，在調(diào)整層15與透明基板5 的邊界面上也形成該實(shí)施方式所涉及的表面結(jié)構(gòu)13，，就能夠?qū)?超過了在該面的臨界角的入射光取出到空氣6層 一側(cè)。也就是說， 由于表面結(jié)構(gòu)13'的存在，即使超過了臨界角的光朝著點(diǎn)Q'入 射，該光也不發(fā)生全反射，在該面反射的成分在電極2反射后， 再次入射到表面結(jié)構(gòu)13'上的點(diǎn)R',其一部分能夠經(jīng)由表面結(jié)構(gòu)13射出到空氣6層一側(cè)，無限地重復(fù)以上的過程。圖23中的結(jié) 構(gòu)雙重地形成了具有凹凸的表面結(jié)構(gòu)13、 13',較復(fù)雜，但有利 之處是能夠使用折射率較低的材料形成透明基板5，選材幅度 加寬了。 此外，由(式6)得到的在透明基板5與電極2之間往返的光 的透光率r越大，取光效率就越大。實(shí)際的發(fā)光層3除了被電極 2、透明電極4包圍起來以外，還被所述調(diào)整層15等多個(gè)透明層 等包圍。對這些膜的設(shè)計(jì)(決定包括發(fā)光層3的膜的折射率、厚 度等)應(yīng)該保證所述透光率r成為最大。此時(shí)，因?yàn)樵诒砻娼Y(jié)構(gòu) 13的反射其相位的分布是隨機(jī)的，反射光的重合就成為非相干處 理(不是振幅相加，而是強(qiáng)度相加)。也就是說，能夠忽視透明基 板5表面對反射的影響，也就可以假想成反射率0%、透光率IOO %的情況加以處理。在假想成反射率0%、透光率100%的條件下， 讓光從透明基板5發(fā)出，再讓該光多重地在包括發(fā)光層3的多層 膜之間往返，使返回到透明基板5的復(fù)數(shù)光振幅的重疊光量成為 最大，以此作為決定各層膜的折射率、厚度等的條件。 (第二實(shí)施方式)
參考圖6、圖27對笫二實(shí)施方式進(jìn)行說明。此外，第二實(shí)施 方式僅有表面結(jié)構(gòu)13的圖案與第一實(shí)施方式不同，其它結(jié)構(gòu)都與 第一實(shí)施方式相同，省略對共同結(jié)構(gòu)的說明。
第二實(shí)施方式中，不是將表面結(jié)構(gòu)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。也就是說，微小區(qū)域 (朝上方突出的區(qū)域)占40 — 98%,微小區(qū)知戈(？2 (凹陷)占 60 — 2%。
圖6(a)是說明該實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的取光效率的說明圖。 該圖中，設(shè)透明基板5的折射率m=l. 457，空氣6的折射率no =1.0，光的波長；1=0. 635/zm，表面結(jié)構(gòu)的突出高度d=0. 70〃m， 橫軸表示表面結(jié)構(gòu)的邊界寬度w，該圖示出的是比率P二O. 2、 0.4、 0.6、 0.8、 0. 9時(shí)的取光效率(第一次和第二次)。曲線6a、 6b、
296c、 6d、 6e以及曲線6A、 6B、 6C、 6D、 6E分別表示在P=0. 2、 0. 4、
0.6、 0.8、 0. 9下的取光效率。圖27中的曲線27a、 27A描繪出
的是在上述條件下設(shè)邊界寬度w= 1. 0 m ，以凸的比率P為橫軸的
取光效率(第一次和第二次)。
由圖6 (a)可以看出在第一次取光效率特性下，在w的所
有區(qū)域都是比率P二O. 2時(shí)第一次取光效率最小，當(dāng)w《2//m時(shí)，
比率P二0.6時(shí)，第一次取光效率給出最大值。在第二次取光效率
特性下，在w《4/zm的范圍內(nèi)，比率P二O. 9的第二次取光效率最
大，P=0. 2時(shí)的第二次取光效率最小。由圖27中的曲線27a可以
看出在第一次取光時(shí)，將支配凹凸的面積比率的比率P設(shè)定在
以0. 6為中心的0. 4 — 0. 8的范圍內(nèi)，取光效率就得到了進(jìn)一步的
提高?？梢哉J(rèn)為這是因?yàn)橥共吭谠摲秶鷥?nèi)起到了光波導(dǎo)的作用
(當(dāng)p《0. 2時(shí)，形成波導(dǎo)的凸部的面積比?。欢?dāng)>0. 8時(shí)，凸
部相互間過于接近，波導(dǎo)效果變小)所導(dǎo)致的。另一方面，由圖
27中的曲線27A可以看出在第二次取光時(shí)，將比率P設(shè)定在以
0.9為中心的0.5 — 0. 98的范圍內(nèi)，取光效率就得到了進(jìn)一步的
提高。因此，在包括第一次、第二次的合計(jì)取光效率下，優(yōu)選將
比率P設(shè)定在0. 4-0. 98的范圍內(nèi)。
這樣，在該實(shí)施方式中使比率P偏離0.5，就能夠得到高于 第一實(shí)施方式的取光效率；還收到了與第一實(shí)施方式一樣的效果
不會(huì)因方位不同而產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布，色彩也就不會(huì)失去平 衡，且能夠?qū)崿F(xiàn)取光效率的大幅度提高，還能夠抑制外界像的映 入等。 (第三實(shí)施方式)
參考圖6 (b)說明第三實(shí)施方式。此外，第三實(shí)施方式僅有 表面結(jié)構(gòu)13的高度差條件與第一實(shí)施方式不同，其它結(jié)構(gòu)都和第 一、第二實(shí)施方式一樣，省略對共同結(jié)構(gòu)做說明。
第三實(shí)施方式是使第一、第二實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)中的相鄰 的兩個(gè)微小區(qū)域(51、 (52間的高度差的量為隨機(jī)值的情況。使其
30為隨機(jī)值的方法如下在圖2 (a)中，假想地將透明基板5的表 面無間隙地分割為寬度w (稱為邊界寬度)的棋盤的目(正方形 的微小區(qū)域5 )，針對一個(gè)基準(zhǔn)面根據(jù)隨機(jī)函數(shù)對一個(gè)一個(gè)的目隨 機(jī)地設(shè)定從-dm/2到dm/2之間的任意一個(gè)高度(或者深度)。一 沖-基準(zhǔn)面是在平行于透明基^反5的表面的法線的方向上，存在 于位于最高位置的微小區(qū)域5和位于最低位置的微小區(qū)域5中間 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區(qū)域 5和位于最低位置的微小區(qū)域5在高度方向的位置差。 圖6(b)是說明該實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的取光效率的說明圖。 該圖中，設(shè)透明基板5的折射率m=l. 457，空氣6的折射率no =1.0,光的波長A二O. 635//m，橫軸是表面結(jié)構(gòu)的邊界寬度(微小 區(qū)域5的寬度)w，該圖示出的是最大高度差dnFl.4、 0.9、 0.7、 0. 3/zm時(shí)的第一次取光效率？？i、第二次取光效率？？2。從便于計(jì) 算的角度來考慮，作為從基準(zhǔn)面算起的高度差的量的隨機(jī)性分以 下幾種情況當(dāng)dm=l. 4//m時(shí)，從-0. 7〃m到0. 7〃m以0. 467/zm 為一個(gè)間隔值(st印)，隨機(jī)地選摔了四種高度差(條件是出現(xiàn)概 率分別為25%);當(dāng)dnFO. 9，時(shí)，從-0. 45//m到0. 45/zm以0. 3 //m為一個(gè)間隔值，隨機(jī)地選捧了四種高度差(條件是出現(xiàn)概率 分別為25%);當(dāng)dn二O. 7//m時(shí)，從-0. 35/zm到0. 35//m以0. 233 /zm為一個(gè)間隔值，隨機(jī)地選摔了四種高度差(條件是出現(xiàn)概率 分別為25%);當(dāng)dnFO. 3//m時(shí)，從-0. 15/zm到0. 15/zm以0. 1 〃m為一個(gè)間隔值，隨機(jī)地選擇了四種高度差(條件是出現(xiàn)概率 分別為2596)。此外，各個(gè)間隔值的出現(xiàn)概率無需均等。例如 可以使低(深)位置的間隔值的出現(xiàn)概率較小，高(淺)位置的 間隔值的出現(xiàn)概率較大。 曲線6i、 61分別表示dm=l. 4//m時(shí)的第一次及第二次取光效 率；曲線6h、 6H分別表示d^0. 9//m時(shí)的第一次及第二次取光效 率；曲線6g、 6G分別表示dnF0. 7"m時(shí)的第一次及第二次取光效 率；曲線6f、 6F分別表示dnF0. 3//m時(shí)的第一次及第二次取光效率。與第一實(shí)施方式一樣，當(dāng)邊界寬度w在0. 2-2/zm這一范圍時(shí)， 第一次取光效率都成為極大值，若使w減小或者增加，第一次取 光效率就漸進(jìn)線地接近0. 27 (所謂的(式3)給出的值即使表面 為鏡面時(shí)的取光效率)。當(dāng)邊界寬度《0. 20/zm時(shí)，第二次取光效 率都成為極大值，隨著w變小，第二次取光效率便收斂于O，圖中 未出現(xiàn)，當(dāng)使w大于8/zm時(shí)，第二次取光效率就漸進(jìn)線地接近 0.00。因此，需要將邊界寬度w設(shè)定在O. 2/zm以上。而且，如對 第一實(shí)施方式的圖28、圖29中所進(jìn)行的討論那樣，從視角依賴 性的關(guān)系來看，優(yōu)選邊界寬度w在1. 以下。在圖6 (b)中， 在dra=0. 7wm、邊界寬度w=0. 6〃m的條件下計(jì)算得出的第一次及 第二次取光效率(7 i、 ？ 2)分別成為0.331、 0.141。因此，與 在第一實(shí)施方式所得到的特性(曲線5A)、在第二實(shí)施方式所得 到的特性(曲線6B、 6C)相比，在dnFO. 7//m時(shí)所得到的特性下， 第二次取光效率提高了 ?？梢哉J(rèn)為第二次取光效率提高的理由如 下因?yàn)橥共宽敹瞬灰恢?，圖案的隨機(jī)性增加，在表面結(jié)構(gòu)反射 .的光的傳播方位的隨機(jī)性質(zhì)也就因此而增加，反射光的擴(kuò)散性也 就提高。因此，就是在第二次取光時(shí)，光也能夠以接近第一次取 光的狀態(tài)(全方位光強(qiáng)度均勻的狀態(tài))入射。 此外，在wX). 4//m的范圍內(nèi)，與diFO. 7//m時(shí)的特性相比， dm=0. 3〃m時(shí)的第一次的特性惡化了 ，所以優(yōu)選dm在dn^0. 2 — 0. 3 /im的范圍內(nèi)(該范圍與第一實(shí)施方式相同)；在w》1.0/zm的范 圍內(nèi)，dn=l. 4//m時(shí)的第一次的特性比dnFO. 7〃m時(shí)的特性稍有改 善，但若cL過大，則不《又加工困難，而且在w>l. 5//m的條件下 視角特性會(huì)惡化(參看圖28、圖29)，因此，可以說1.40/zm是 dm的上限的參考值。這些范圍與第一實(shí)施方式的范圍(;i/(ni-no) >dm> A/6 (ni-no)相同。 就這樣，第三實(shí)施方式靠隨機(jī)地設(shè)定高度差的量，而得到了 比第一、第二實(shí)施方式高的取光效率；還收到了與第一實(shí)施方式 一樣的效杲不會(huì)因方位不同而產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布，色彩也就不會(huì)失去平衡，而且，能夠?qū)崿F(xiàn)取光效率的大幅度提高，還能 夠抑制外界像的映入等。
此外，能夠想到的隨機(jī)地設(shè)定高度差的量的條件有兩個(gè)(1) 取從0到最大高度差的量dm的所有值的情況、(2)取含有0和最
大高度差的量dm的三級以上的高度差中任一個(gè)的情況。考慮一下
(2)之一例取0、 dm/3、 dmx2/3、 dm這四種高度差的情況。在 該情況下，經(jīng)過兩次曝光、蝕刻工序(第一次曝光使用邊界寬 度wi的掩模圖案，蝕刻深度dm/3、第二次曝光變?yōu)槭褂眠吔?寬度W2的掩模圖案，蝕刻深度dmx2/3)就能夠制作出用以將這 樣的表面結(jié)構(gòu)形成在薄膜表面上的形狀轉(zhuǎn)印用模具。此時(shí)，為使 不連續(xù)的邊界線的出現(xiàn)頻率最大的條件是w2=wl。
進(jìn)一步考慮取0、 dra / 6、 drax2 / 6、 d"3 / 6、 d"4 / 6、 dmX5 /6、 dm這七種高度(高度差)的情況。在該情況下，經(jīng)過三次 曝光、蝕刻工序(第一次曝光使用邊界寬度wi的掩模圖案，蝕 刻深度dm/6、第二次曝光變?yōu)槭褂眠吔鐚挾萕2的掩模圖案， 蝕刻深度dmx2/6、第三次曝光變?yōu)槭褂眠吔鐚挾萕3的掩模圖 案，蝕刻深度dmx3/6)就能夠制作出用以將這樣的表面結(jié)構(gòu)形 成在薄膜表面上的形狀轉(zhuǎn)印用樓具。此時(shí)，為使不連續(xù)的邊界線
的出現(xiàn)頻率最大的條件是WFW2二W3。 (第四實(shí)施方式)
參考圖7說明第四實(shí)施方式。此外，第四實(shí)施方式僅表面結(jié) 構(gòu)的圖案與第一實(shí)施方式不同，其它結(jié)構(gòu)都和第一實(shí)施方式一樣， 省略對共同結(jié)構(gòu)做說明。 圖7示出了到?jīng)Q定出第四實(shí)施方式中的表面結(jié)構(gòu)的圖案為止 的過程。圖7 (a)示出的是將透明基板5的表面無間隙地分割 為寬度wi的棋盤的目(正方形的微小區(qū)域a)，以一個(gè)一個(gè)的目 是黑色、是白色的比率各為50%,隨機(jī)地分配了白色與黑色后得 到的圖案。該圖中顯示的是wFl^zm之例(wi的最佳值更小，但 若使其為更小的值，在圖中無法看清楚，因此用該值進(jìn)行說明)。
33分配給黑色的微小區(qū)域a是微小區(qū)域1 ，分配給白色的微小區(qū)域 Q!是撰t小區(qū)i或a2。
圖7 (b)示出的是將透明基板5的表面分割為wi的整數(shù)倍 的寬度W2的棋盤的目(正方形的微小區(qū)域/S),以一個(gè)一個(gè)的目
是黑色的比率為P2，是白色的比率為1-P2,且？2=0. 5，隨機(jī)地分
配了白色與黑色后得到的圖案。該圖中顯示的是w2=2/zm之例。
分配給黑色的微小區(qū)域/5是微小區(qū)域/5 1 ，分配給白色的微小區(qū)域
/S是孩i小區(qū)域/32。 圖7 (c)示出的是按照以下規(guī)則得到的圖案。該規(guī)則是使 棋盤的目相亙對齊地將圖7 (a)、圖7 (b)中的圖案重疊起來， 黑色(cn)與黑色(/3i)重疊成為白色，白色("2)與白色(/3 2)重疊成為白色，白色(o:2)與黑色(ySi)或黑色(cn)與白 色(/32)重疊成為黑色。結(jié)果是，圖7 (c)所示的圖案的生成規(guī) 則與圖7 (a)的圖案的生成規(guī)則一樣，讓黑色作凸，相對于此讓 白色作凹的表面結(jié)構(gòu)的圖案與第一實(shí)施方式中所介紹的圖案相 同。
另一方面，圖7 (d)示出的是將透明基板5的表面分割為 寬度wi的棋盤的目(正方形的微小區(qū)域q:)，以一個(gè)一個(gè)的目是 黑色的比率為Pi，是白色的比率為1-Pi，隨機(jī)地分配后得到的圖 案。該圖中，顯示的是WFl^ni、 Pi=0. l時(shí)的例子。與圖7 (a) 一樣，黑色是微小區(qū)域ai，白色是微小區(qū)域o;2。 圖7 (e)示出的是按照以下規(guī)則得到的圖案。該規(guī)則是使 棋盤的目相互對齊地將圖7 (d)、圖7 (b)中的圖案重疊起來， 黑色("0與黑色(/3i)重疊成為白色，白色("2)與白色(/3 2)重疊成為白色，白色(CK2)與黑色(y5i)或黑色(cn)與白 色(/32)重疊成為黑色。結(jié)果是，圖7 (e)所示的圖案具有與圖 7 (c)所示的圖案相似的特征，這些特征是是黑色白色的面積 比率是l: 1，黑色標(biāo)記、白色標(biāo)記的最小尺寸相同等。圖7 (e) 所示的圖案與圖7 (c)示出的圖案的不同之處是最小尺寸的出現(xiàn)比率較低。最終的黑色與白色的比率(凹凸的面積比率)由比率 P〗、P2決定，黑色的比率P (成為凸的比率)由P二Pl+P2-2PlP2給
出。圖27中，附帶示出的曲線27b、 27B示出了在表面結(jié)構(gòu)的凸 部的突出高度d=0. 70 〃 m、 wi=0. 2 m、 W2= 1 m、 Pi二O. 1的條件下， 以成為凸的比率P為橫軸計(jì)算得出的第一次、第二次取光效率(" i、 ？7 2)的特性。 由圖27中的曲線27b可知盡管圖案的凹凸分布與第一實(shí)施 方式不同，但在第一次取光時(shí)，將支配凹凸的面積比率的比率P 設(shè)定在以0. 6為中心的0. 4 — 0, 8的范圍內(nèi)，取光效率得到了進(jìn)一 步的提高。另一方面，從曲線27B可知在第二次取光時(shí)，將比 率P設(shè)定在O. 5 — 0.9的范圍內(nèi)(因?yàn)樵O(shè)定為Pi=0. 1，所以在O. 1 以下、0. 9以上描繪不出曲線27b、 27B)，取光效率得到了進(jìn)一步 的提高。因此，與第一實(shí)施方式一樣，對比率Pl、 P2進(jìn)行組合， 將最終成為凸的比率P設(shè)定在0. 5-0. 98的范圍內(nèi)，就能夠使包括 第一次、第二次取光效率的合計(jì)取光效率提高。此外，圖27中的 曲線27c、27C示出的是在wi=0. l/zm、Pi=0. 1的條件下的第一次、 第二次取光效率的特性；圖27中的曲線27d、 27D示出的是在 wi=0. l//m、 Pi=0. 2的條件下的第一次、第二次取光效率的特性。 因?yàn)槿羰箇i小于0. 2//m效率就會(huì)大幅度地惡化，所以需要使邊 界寬度wi的大小在0. 2//m以上。而且，如對第一實(shí)施方式的圖 28、圖29中所進(jìn)行的討論那樣，從視角依賴性關(guān)系來看，優(yōu)選邊 界寬度wi在1. 5〃m以下。 第四實(shí)施方式是對第一實(shí)施方式中的表面結(jié)構(gòu)的形成條件稍 微做了一些改變后得到的。在某些條件下，取光效率會(huì)比第一實(shí) 施方式稍有惡化，但仍然能夠?qū)崿F(xiàn)比圖14、圖15 (a)所示的現(xiàn) 有發(fā)光裝置更大的取光效率；與第一實(shí)施方式一樣，第四實(shí)施方 式還具有以下效果不會(huì)因方位不同而產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布， 色彩也就不會(huì)失去平衡，而且，能夠?qū)崿F(xiàn)取光效率的大幅度提高， 還能夠抑制外界像的映入等；與第一實(shí)施方式相比，第四實(shí)施方
35式對有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的形狀的制約條件較寬，所以誤差容限可以取 得較寬，因此而容易進(jìn)行加工，這是第四實(shí)施方式的有利之處。 例如，在第一實(shí)施方式的條件下，因?yàn)榘疾颗c凹部或凹部與凸部 的間隔很小，所以很難加工出微細(xì)的凹凸形狀。但在第四實(shí)施方 式中，因?yàn)槲⒓?xì)的凹部或者凸部的出現(xiàn)比率較低(參考圖7 (C)
和圖7 (e))，所以凹部與凹部或凹部與凸部的實(shí)效間隔增加了 ， 加工難度減小了。此外，不言而喻，將第四實(shí)施方式應(yīng)用到第二 實(shí)施方式中，也能夠獲得與第二實(shí)施方式一樣的效果。
(笫五實(shí)施方式)
將第四實(shí)施方式和第三實(shí)施方式組合在一起，即構(gòu)成該第五
實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，為便于理解區(qū)域的設(shè)定，用不同的 顏色來區(qū)分、說明各個(gè)區(qū)域。在第五實(shí)施方式中，首先，將透明 基板5的表面分割為寬度wi的棋盤的目(正方形的微小區(qū)域cO， 以一個(gè)一個(gè)的目是黑色的比率為Pi，是白色的比率為1-Pi，隨機(jī) 地分配黑色、白色后，利用蝕刻等方法將分配給了白色的區(qū)域(微 小區(qū)域o:2)刻入一深度di (〉0)。此外，分配給了黑色的區(qū)域是 擺女小區(qū)知戈cu。 接下來，將透明基板5的表面分割為寬度W2的棋盤的目(正 方形的微小區(qū)域^)，以一個(gè)一個(gè)的目(微小區(qū)域/3)是藍(lán)色的比 率為P2，是赤色的比率為1-P2，隨機(jī)地分配了藍(lán)色與赤色，利用
蝕刻等方法將分配給了赤色的區(qū)域(微小區(qū)域yS2)刻入一深度d2 (〉0)。此外，分配給了藍(lán)色的區(qū)域是微小區(qū)域ySl。其中，W2是 Wl的整數(shù)倍(優(yōu)選W2=W1)，邊界線對齊地將棋盤的各個(gè)目重疊在 一起。 于是，當(dāng)以白色與赤色重疊的部分的面為基準(zhǔn)面時(shí)，就能夠 使黑色與藍(lán)色重疊后的高度相對于該基準(zhǔn)面成為di+d2，使白色與 藍(lán)色重疊后的高度相對于該基準(zhǔn)面成為d2，黑色與赤色重疊后的 高度相對于該基準(zhǔn)面成為di。因此，由于高度差能夠隨機(jī)地獲取 在0到di+d2之間的四種值(0、 di、 d2、 di+d2),所以能夠收到與第三實(shí)施方式一樣的效果。 而且，若設(shè)定為di=dmXl/3、 d2=drax2/3，就能夠?qū)⒁蚪Y(jié)構(gòu) 微細(xì)而難以制作的寬度wi的圖案的深度加工得較淺，因此有利之 處就是加工容易。在di^dmxl/3、 d2=drax2/3的情況下，因?yàn)槁?br> P'2對應(yīng)于刻入深度豐支深的一側(cè)(實(shí)際上比率P2—側(cè)為'2，比率Pl 一側(cè)為1的加權(quán)與平均深度有關(guān))，所以比率P2與決定凹凸的面 積比率，亦即深度的平均大小的第四實(shí)施方式的比率P2意思相近。 另一方面，因?yàn)楸嚷蔖l與微細(xì)結(jié)構(gòu)(寬度W1)的出現(xiàn)比率有關(guān)，
所以比率Pl與第四實(shí)施方式中的比率Pl意思相近。
此外，上迷實(shí)施方式將兩種曝光、蝕刻工序組合起來了，若
將三種曝光、蝕刻工序組合使用，就能夠隨機(jī)地取得八種值的高 度。在該情況下要在上迷兩個(gè)蝕刻工序中加上以下工序。也就是
說，將透明基板5的表面分割為寬度W3的棋盤的目(正方形的微
小區(qū)域r)，以一個(gè)一個(gè)的目是綠色的比率為P3，是黃色的比率為
1-P3,隨機(jī)地分配了綠色和黃色，用蝕刻等方法將分配給了黃色 的區(qū)域(微小區(qū)域了2)刻下一個(gè)深度d3 (>0)。此外，分配給了 綠色的區(qū)域是微小區(qū)域r 1 。其中，W3是W2的整數(shù)倍(優(yōu)選W3=W2)， 以邊界線對齊地將棋盤的各個(gè)目重疊在一起。
于是，當(dāng)以白色與赤色與黃色重疊的部分的面為基準(zhǔn)面時(shí)，
就能夠使黑色與藍(lán)色與綠色的重疊相對于該基準(zhǔn)面的高度成為
di+d2+d3，白色與藍(lán)色與綠色的重疊相對于該基準(zhǔn)面的高度成為 d2+d3,黑色與藍(lán)色與黃色的重疊相對于該基準(zhǔn)面的高度成為 di+d2，黑色與赤色與綠色的重疊相對于該基準(zhǔn)面的高度成為 di+d3，黑色與赤色與黃色的重疊相對于該基準(zhǔn)面的高度成為di， 白色與藍(lán)色與黃色的重疊相對于該基準(zhǔn)面的高度成為d2，白色與 赤色與綠色的重疊相對于該基準(zhǔn)面的高度成為d3。因此，由于高 度能夠在0到di+d2+ds之間隨機(jī)地獲取八種值(0、 di、 d2、 ds、 di+d2、 d2+d3、 d3+di、 d1+d2+d3)，所以能夠收到與第三實(shí)施方式一 樣的效果。
37
而且，若設(shè)定為di=draxl / 6、 d2=drax2 / 6、 d3二dmx3 / 6，就能
夠?qū)⒁蚪Y(jié)構(gòu)微細(xì)而難以制作的寬度Wl 、 W2的圖案的深度加工得較
淺，因此有利之處就是加工容易。在di=dmxl/6、 d2=dmx2/6、
d3=dmx3 / 6的情況下，因?yàn)楸嚷蔖2、 P3對應(yīng)于刻入深度較深的一 側(cè)(實(shí)際上，以比率P3 —側(cè)為3、比率P2 —側(cè)為2、比率Pl —側(cè) 為1的加權(quán)與平均深度有關(guān))，所以比率P2、 P3與決定凹凸的面積 比率，亦即深度的平均大小的第四實(shí)施方式的比率P2意思相近。 另一方面，因?yàn)楸嚷蔖l與微細(xì)結(jié)構(gòu)(寬度W1)的出現(xiàn)比率有關(guān)，
所以比率Pl與第四實(shí)施方式中的比率Pl意思相近。 (第六實(shí)施方式)
參考圖1對第六實(shí)施方式進(jìn)行說明。此外，第六實(shí)施方式僅
有表面結(jié)構(gòu)13的圖案與第一實(shí)施方式不同，其它結(jié)構(gòu)都與第一實(shí)
施方式一樣，省略對共同結(jié)構(gòu)的說明。 第六實(shí)施方式是用移相器構(gòu)成第一實(shí)施方式中表面結(jié)構(gòu)的相 鄰兩個(gè)微小區(qū)域Si、 (52得到的。移相器能夠用例如折射率不同
的多層膜構(gòu)成。也就是說，能夠利用多層膜的多重反射調(diào)整透過 光的相位，能夠通過改變多層膜的結(jié)構(gòu)(膜厚、層數(shù))隨機(jī)地形
成180度的區(qū)域和0度的區(qū)域。而且，即使改變透過兩個(gè)區(qū)域的 光的偏振光，只要利用偏振鏡就能夠收到同樣的效果。此時(shí)所用 的偏振鏡，能夠保證對應(yīng)于180度區(qū)域的透過光的偏振光是P偏 振或是右旋圓偏振光；對應(yīng)于0度區(qū)域的透過光的偏振光是S偏 振光是左旋圓偏振光。使用方位相差90度的1 / 2波長板也能夠 實(shí)現(xiàn)該第六實(shí)施方式。此外，第一實(shí)施方式那樣的、折射率有差 別的界面的凹凸結(jié)構(gòu)也是透過光的相位在凹凸間變化，所以可以 說第一實(shí)施方式中的上述結(jié)構(gòu)也是移相器的一種形態(tài)。
該實(shí)施方式中的表面結(jié)構(gòu)13的透光率t對入射角的依賴性以 及取光效率都已經(jīng)顯示在圖21、圖5 (b)(曲線5d、 5D)中，單 單是第一次取光效率，就能夠超過使w在0.4〃m以上且l〃m以 下的范圍內(nèi)使表面為鏡面時(shí)的取光效率。圖5 (b)示出了使相位差為90度的結(jié)果，第一次、第二次取光效率分別由曲線5d'、 5D' 顯示出來，使相位差為90度的第一次、第二次取光效率都不如相 位差是180度時(shí)(曲線5d、 5D)的好，由此可知相位差的最佳值 是180度。 就這樣，第六實(shí)施方式由移相器構(gòu)成表面結(jié)構(gòu)13，與現(xiàn)有技 術(shù)相比所得到的取光效率就高；與第一實(shí)施方式一樣，還能夠收 到以下效果不會(huì)因方位不同而產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布，色彩也 就不會(huì)失去平衡，而且，能夠?qū)崿F(xiàn)取光效率的大幅度提高，還能 夠抑制外界像的映入等。 (第七實(shí)施方式)
參考圖8說明第七實(shí)施方式。此外，第七實(shí)施方式^f又有表面 結(jié)構(gòu)的圖案與第一實(shí)施方式不同，其它結(jié)構(gòu)都和第一實(shí)施方式一 樣，省略對共同結(jié)構(gòu)做說明。 圖8 (a)示出了該實(shí)施方式中第一表面結(jié)構(gòu)23的圖案。如 圖8 (a)所示，將透明基板5的表面分割為一條邊的邊長為w的 正三角形(微小區(qū)域(5)，將一個(gè)一個(gè)的微小區(qū)域5是凸(圖中的 23a (微小區(qū)域Si)、灰色的圖形)還是凹(圖中的23b (微小區(qū) 域(52)、白色的圖形)的比率各自設(shè)定為50%，隨機(jī)地分配凹與 凸，即得到了第一表面結(jié)構(gòu)23。 w在2. 25〃m以下。 另一方面，圖8 (b)示出了該實(shí)施方式中第二表面結(jié)構(gòu)33 的圖案。如圖8 (b)所示，將透明基板5的表面分割為一條邊的 邊長為w的正六角形(微小區(qū)域5)，將一個(gè)一個(gè)的圖形是凸(圖 中的33a (微小區(qū)域Si)、灰色的圖形)還是凹(圖中的33b (微 小區(qū)域(52)、白色的圖形)的比率各自設(shè)定為50%,隨機(jī)地分配 凹與凸，即得到了第二表面結(jié)構(gòu)33。 w在O. 93//m以下。 此外， 一般而言，圖形大小的條件是與該圖形最大內(nèi)切圓 的直徑在0. 2〃m以上且1. 5〃m以下。 第七實(shí)施方式中，僅有表面結(jié)構(gòu)23、 33的圖案形狀與第一實(shí) 施方式不同，原理、作用及效果都與第一實(shí)施方式一樣。而且，并不限于將透明基板的表面分割為正三角形、正六角形，只要是 能夠無間隙地用同樣的圖形進(jìn)行面積分割即可，可以是任意的多 角形。 此外，在從第一到第七實(shí)施方式中，實(shí)際的加工體中的表面
結(jié)構(gòu)13、 23、 33不是嚴(yán)格意義上的正方形、正三角形、正六角形， 角部變圓，角度變圓的微小區(qū)域的相鄰微小區(qū)域的角部也相應(yīng)地 產(chǎn)生變形，但特性不會(huì)有變化，能夠收到相同的效果，這是毋容 置疑的。將第二到第六實(shí)施方式應(yīng)用到第七實(shí)施方式中，也能夠 收到與第二到第六實(shí)施方式一樣的效果。 (其它實(shí)施方式)
上述各個(gè)實(shí)施方式是本發(fā)明的示例，本發(fā)明并不限于這些示 例。在以上各個(gè)實(shí)施方式中，與表面結(jié)構(gòu)的凸部的表面垂直的截 面形狀并不限于矩形，也可以是梯形、圓錐形狀等，也可以由曲 線形成凸部的斜面。 在透明基板5的厚度很厚的情況下，取光的次數(shù)每增加一次， 光的射出位置就從發(fā)光點(diǎn)S的位置遠(yuǎn)離一下。在該情況下，象用 于顯示屏的EL那樣以300 // m左右的像素為單位分割的結(jié)構(gòu)中， 光會(huì)混入相鄰的像素中，引發(fā)圖像質(zhì)量惡化。因此，能夠想到的 結(jié)構(gòu)如圖9 (a)所示。即，形成有表面結(jié)構(gòu)13的透明基板5構(gòu) 成為幾微米左右，很薄，在透明基板5之上夾著空氣層由0. 2mm 到0. 5mm左右的保護(hù)基板14覆蓋起來。在保護(hù)基板的表面14a、 背面14b不會(huì)發(fā)生全反射，但需要進(jìn)行防止反射的涂敷(AR涂敷)。 此時(shí)，在表面結(jié)構(gòu)13的上方可以采用由氣凝膠等低折射率且透明 的材料形成的層代替空氣層，因?yàn)榇藭r(shí)是一體結(jié)構(gòu)，所以裝置的 穩(wěn)定性高。
在以上各個(gè)實(shí)施方式中，僅在一個(gè)面上形成有表面結(jié)構(gòu)13， 還能夠在透明基板5的兩面形成同樣的結(jié)構(gòu)；還可以將普通的衍 射光柵13'布置在表面結(jié)構(gòu)13和發(fā)光點(diǎn)S之間。此時(shí)能夠想到 的結(jié)構(gòu)如圖9 (b)所示，使透明基板5成為薄膜形狀，在透明基
40板5的表面形成表面結(jié)構(gòu)13,在背面形成衍射光柵13'、不同規(guī) 格的表面結(jié)構(gòu)13"，夾著粘接層21將透明基板5粘接在發(fā)光體 一側(cè)。在透明基板5的折射率小，與發(fā)光層3之間的折射率差在 0. 1以上的情況下，若選摔比發(fā)光層3的折射率小0. 1或者比0. 1 小得更多的材料作粘接層21的材料，幾乎就不會(huì)在粘接層21與 發(fā)光層3的邊界面發(fā)生全反射，并且，也能夠利用表面結(jié)構(gòu)13'' (或衍射光柵13')以及表面結(jié)構(gòu)13避免在粘接層21與透明基 板5之間的折射面、透明基板5與空氣6之間的折射面發(fā)生全反 射。此外，優(yōu)選衍射光柵13'、 表面結(jié)構(gòu)13"的凹部的深度或 者凸部的高度的條件是在凹部的透過光和在凸部的透過光產(chǎn)生 相位差；r，但凹部的深度、凸部的高度可以比上述值為小。
此外，作為參考，圖10中示出了表面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)黑白相間的方 格花紋(方格形狀)的圖案。圖10中示出的表面結(jié)構(gòu)是這樣的， 將透明基板5的表面分割為 一邊的長度為w的正方形，灰色的正 方形13a和白色的正方形13b形成方格圖案，灰色為凸，相對地 白色為凹。 圖11是說明圖10中所示的表面結(jié)構(gòu)的透光率t對入射角的 依賴性的說明圖，圖11中的條件與圖5 (a)中的相同，凹凸的 高度差d二0.70。該圖11中示出的是以下情況以表面結(jié)構(gòu)的寬 度w為參數(shù)(w:O. 1、 0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0、 2.0、 4.0,)， 在透明基板5內(nèi)光量為1的光以角0 (與折射法線所成的角度) 入射到表面結(jié)構(gòu)后，第一次有多少射出到空氣6層一側(cè)。與表示 隨機(jī)圖案的特性的圖3 (a)相比可知圖11中，除了 w二O. 1、 0.2 /im (所謂的不產(chǎn)生衍射光的納米結(jié)構(gòu)的區(qū)域)的曲線以外，其它 曲線上都存在很細(xì)的波浪。這是由于方格圖案造成了衍射，該衍 射造成衍射光產(chǎn)生在空氣層一側(cè)或消失在空氣一側(cè)。這表明方 位不同而產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布，這是周期圖案固有的問題。
圖5 (b)中附帶顯示出呈現(xiàn)該方格形狀的表面結(jié)構(gòu)和呈現(xiàn)圖 17 (b)所示的鋸齒狀排列的方格結(jié)構(gòu)(口w部分成為凹的一側(cè))的表面結(jié)構(gòu)的第一次及第二次取光效率(d=0. 70//m，分別是曲線 5e、 5f、 5E、 5F)沿對角線方向排列的方格狀圖案的第二次取光 效率變大與在圖27中介紹的現(xiàn)象一樣，因?yàn)樵谘貙蔷€方向排列 的方格圖案下成為凸的比率PK). 75。與隨機(jī)圖案所顯示出的特性 相比，方格圖案、鋸齒狀圖案都顯示出伴隨著w的變化而出現(xiàn)波 浪的特性，這也是周期圖案固有的問題，與光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布受 方位的影響而存在有關(guān)。 圖30 (a)、圖30 (b)附帶示出了從方格圖案的表面結(jié)構(gòu)射 出的第一次取光對視角的依賴性的解析結(jié)果。條件是高度差 d=0.70//m，邊界寬度FO. 5〃m，圖30 (a)中波長A二O. 450//m， 圖30 (b)中波長;1=0. 635/zm。由圖30 (a)和圖30 (b)可知 相對于偏角，實(shí)線(0度、90度的經(jīng)度方位)、虛線(45度、135 度的經(jīng)度方位)變動(dòng)大，二者的乖離也大，而且在某些波長下形 狀變化大。與專利文獻(xiàn)1中記載的發(fā)光裝置一樣，方位不同而產(chǎn) 生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布，色彩就失去平衡是周期圖案致命的缺點(diǎn)。 這些問題在第一到第七實(shí)施方式中全部解決。 邊界衍射效杲在使光的相位不連續(xù)的部分相隔 一 定間隔以上 的情況下發(fā)生。為了使該效果成為極大值，就需要使相位不連續(xù) 的部分在有限的面積內(nèi)出現(xiàn)的比率為極大值。若將折射面分割為 無數(shù)的微小區(qū)域，在微小區(qū)域之間的邊界相位不連續(xù)，所述出現(xiàn) 的比率就會(huì)在下迷兩個(gè)條件下被極大化。第一個(gè)條件是盡量使 各個(gè)微小區(qū)域的面積大小一樣；第二個(gè)條件是在相鄰的微小區(qū) 域之間也存在相位差。也就是說，若一個(gè)微小區(qū)域內(nèi)的面積比任 何其它微小區(qū)域的面積都大，對該大面積進(jìn)行分割，相位不連續(xù) 的邊界就會(huì)增多。相反，若一個(gè)微小區(qū)域內(nèi)的面積比任何其它微 小區(qū)域的面積都小，則說明其它微小區(qū)域的面積比該微小區(qū)域的 面積大，對該其它微小區(qū)域進(jìn)行分割，相位不連續(xù)的邊界就會(huì)增 多。作為其延長線，盡可能地使各個(gè)微小區(qū)域的面積相等，至少 各個(gè)微小區(qū)域的面積在基準(zhǔn)面積的0. 5 —1. 5倍的范圍內(nèi)(與微小區(qū)域最大內(nèi)切圓的直徑在基準(zhǔn)直徑的0. 7—1. 3倍的范圍內(nèi))，就
會(huì)使微小區(qū)域間的邊界線的出現(xiàn)比率極大化。第一到第七實(shí)施方 式遵守該條件。還有，即使能夠使對微小區(qū)域的分割極大化，只 要相鄰微小區(qū)域的相位一致，效果也會(huì)減弱。因此，也需要在相 鄰微小區(qū)域之間存在相位差。也就是說，需要分配隨才幾的相位。 第四、第五實(shí)施方式等遵守該條件。也就是說，所迷實(shí)施方式中
的發(fā)光裝置，不是因?yàn)榫哂袑＠墨I(xiàn)2所記載的發(fā)光裝置那樣的
防止反射的效果而實(shí)現(xiàn)了取光效率的提高，而是因?yàn)榫哂辛耸惯?界衍射效果極大化的效果才實(shí)現(xiàn)了取光效率的提高。 此外，第一到第七實(shí)施方式中的表面形狀與毛面玻璃 (frosted glass)、粗糙表面等的表面形狀、專利文獻(xiàn)2中所記 載的發(fā)光裝置中的表面狀態(tài)不同。在第一、第四以及第七實(shí)施方 式中，將表面分割為寬度w的棋盤的目(或者多角形的目)，將凸 和凹按1:1的比率分配給每一個(gè)目。該圖案中存在固有寬度w這 樣的尺度和固有的微小區(qū)域的形狀，凸部的總面積和凹部的總面 積的比率也是1:1的關(guān)系。相對于此，毛面玻璃、粗糙表面等的 表面形狀不存在固有的寬度，微小區(qū)域的形狀也未定，凸部的總 面積和凹部的總面積的比率也并非會(huì)成為1:1的關(guān)系。在第二實(shí) 施方式中，讓凸和凹的比率從5096錯(cuò)開，凹部的總面積與凸部的 總面積的比率也不是l:l 了，但依然存在固有的寬度w，凹部的 總面積與凸部的總面積的比率也還是一個(gè)規(guī)定的值，與百分之百 隨機(jī)的圖案不同。第三、第五實(shí)施方式中也存在固有的寬度w， 每一個(gè)用該寬度w定義的棋盤的目(或多角形的目)高度差都相 亙不同。因此，可以說，所迷實(shí)施方式中的表面形狀，并不是完 全隨機(jī)的圖案，而是遵守某一規(guī)則的隨機(jī)圖案。 稍微考察一下與完全隨機(jī)的圖案的不同。如圖12 (a)所示， 寬度4w的桌子16上隨機(jī)地排列有8張寬度是w的牌17。也就是 說，8張牌17的總面積是桌子16的面積的1/2。但假定牌17 不從桌子16越出來。圖12 (b)示出的是允許牌17重疊著排列
43的情況。圖12 (C)示出的是不允許牌17重疊著排列的情況。在
圖12 (b)中，牌的面積總和由于牌17有重疊而小于桌子面積的 1/2。面積比離開某一比率，取光效率就會(huì)惡化這一情況已由圖 27中的曲線27a、 27A示出。在圖12 (c)中，面積比維持在1/ 2，但在牌之間產(chǎn)生了比w小的微小間隙j,這一點(diǎn)圖12 (b)也 一樣。若產(chǎn)生微小間隙j,其頻率變大，則能夠?qū)⒃搄看作新的 邊界寬度。由圖6可知，在j《0. 1/zm的條件下，取光效率會(huì)大 大地惡化。如圖27所示，微小凹凸結(jié)構(gòu)的比率Pi增大(wi=0. 1 Win結(jié)構(gòu)的比率Pi按照曲線27a、 27c、 27d的順序依次為0. 0、 0.1、 0.2增大)，即使合計(jì)的成為凸的比率相同，第一次、第二 次取光效率也都會(huì)惡化。僅這樣形成完全徹底的隨機(jī)圖案，是不 可能成為使取光效率成為最大的條件的。 所述實(shí)施方式中所用的隨機(jī)圖案的生成原理與圖12所示的 生成原理不同。在上述各個(gè)實(shí)施方式中，不會(huì)出現(xiàn)面積比被維持 在某一比率上，微小間隙j等比寬度w小的尺度。于是，可以說， 所述實(shí)施方式中的表面形狀，并不是完全徹底的隨機(jī)圖案，而是 遵守用以使取光效率極大化的規(guī)則的隨機(jī)圖案。 第一到第七實(shí)施方式中的表面形狀所引起的現(xiàn)象是衍射現(xiàn)象 之一。如圖18所示，在衍射現(xiàn)象下，將假想地相對使表面形狀平 均的平坦基準(zhǔn)面折射的光線定為0級衍射光(全反射時(shí)不會(huì)出 現(xiàn))，在以該光為方位的基準(zhǔn)而位移后的方位產(chǎn)生高級衍射光。在 該申請那樣的隨機(jī)的表面形狀下，0級以外的衍射光的傳播方位 隨機(jī)。相對于此，毛面玻璃、粗糙表面不是衍射現(xiàn)象，而是折射 現(xiàn)象之一。在凹凸不平的折射面其表法線的方位隨機(jī)，折射的方 位也隨機(jī)，僅此而已。也就是說，在平行平板上形成第一到第七 實(shí)施方式中的表面形狀，透過該表面看去，能夠非常清楚地看到 相反一側(cè)的像的輪廓。這是因?yàn)樵谠摫砻嫘螤钕卵苌浞蛛x的光中 一定存在0級衍射光，該0級衍射光維持了相反一側(cè)的像的輪廓。 相對于此，在毛面玻璃、粗糙表面下，不存在相當(dāng)于O級衍射光的光，透過該表面看去時(shí)，相反一側(cè)的像的輪廓是模糊不清的。 專利文獻(xiàn)2中僅僅有由于表面突起物的存在光"很順從地放射到 空氣中"這樣的描述，沒有衍射這樣的描述，"順/人地"這一詞語 能夠解釋為是遵守斯內(nèi)爾定律(折射定律)，從意思上可以理解為 與毛面玻璃、粗糙表面等屬于同類，能夠說與本申請中的發(fā)明是 絕然不同的。 順便提一下，專利文獻(xiàn)2中所公開的技術(shù)的特征是，將多個(gè) 透明的突起物完全隨機(jī)地布置在透明絕緣基板上。本申請的下述 特征，即凸部與凹部是形狀相同的微小區(qū)域， 一個(gè)以上的該微小 區(qū)域構(gòu)成了一個(gè)集合體，且使凸部與凹部的存在比率為特定的比 值，在該專利文獻(xiàn)2中既沒有任何記載，也沒有任何暗示。本申 請的特征是，例如，在第一實(shí)施方式中，將凹部與凸部對調(diào)后所 得到的結(jié)構(gòu)或者將微小區(qū)域的高度、深度對調(diào)后所得到的結(jié)構(gòu)， 基本上都還是原本的結(jié)構(gòu)。但專利文獻(xiàn)2中所記載的發(fā)光裝置卻 不會(huì)是這樣的。由這樣的示例的實(shí)施方式中的特征收到了顯著的 取光效果是本申請發(fā)明人首次發(fā)現(xiàn)的，專利文獻(xiàn)2中沒有記載上 述實(shí)施方式那樣的顯著效果。在專利文獻(xiàn)2所記載的發(fā)光裝置中， 寬度0. 4//m以上且20//m以下的突起物以每單位面積5000-106 個(gè)/咖2的個(gè)數(shù)完全隨機(jī)地布置好，從形式上看上述實(shí)施方式中的 發(fā)光裝置有一部分包括在該發(fā)光裝置中，但突起物與突起物以外 的部分之間的形狀關(guān)系、存在比率關(guān)系、以及由于這樣的關(guān)系的 存在首次收到的效果等，在專利文獻(xiàn)2所記載的發(fā)光裝置中既沒 有什么記載，也沒有任何暗示?？梢哉f，上迷實(shí)施方式實(shí)質(zhì)上并 不包括在專利文獻(xiàn)2中所公開的技術(shù)中，專利文獻(xiàn)2中所公開的 發(fā)明與本申請發(fā)明是完全不同的兩個(gè)發(fā)明。 此外，在第一到第六實(shí)施方式中，利用凹凸形狀使光的相位 位移。除了凹凸形狀以外，釆用下述做法也能夠?qū)崿F(xiàn)相位的位移。 例如，在對應(yīng)于凹部的區(qū)域和對應(yīng)于凸部的區(qū)域改變多層膜的厚 度、折射率條件等，即能夠?qū)崿F(xiàn)相位的位移。不言而喻，在該情
45況下也能收到與上述各個(gè)實(shí)施方式一樣的效果；第一到第七實(shí)施
方式并不是獨(dú)立存在的，將各個(gè)實(shí)施方式的一部分組合起來構(gòu)成
一個(gè)新的實(shí)施方式，這也是能夠想到的；在第一到第七實(shí)施方式 中以有機(jī)EL元件為例進(jìn)行了說明，該元件只要是在折射率大于1 的介質(zhì)內(nèi)發(fā)光的元件該發(fā)明就適用。該發(fā)明對例如LED、導(dǎo)光板 等都適用；發(fā)光裝置射出光的介質(zhì)并不限于空氣。所述實(shí)施方式 的表面結(jié)構(gòu)在以下情況適用。透明基板的折射率比透明基板所接 觸的的介質(zhì)的折射率大的情況，特別是透明基板的折射率比透明 基板所接觸的介質(zhì)的折射率大出0. 1以上的情況。 一工業(yè)實(shí)用性一 綜上所述，本發(fā)明所涉及的發(fā)光裝置使取光效率大幅度地提 高，而且，射出光的視角特性也良好。因此，本發(fā)明所涉及的發(fā) 光裝置作為顯示屏、光源等用處很大。
權(quán)利要求
1、一種薄膜，使用時(shí)讓該薄膜的一個(gè)面與發(fā)光體相鄰接，該薄膜透明，其特征在于該薄膜的另一個(gè)面假想地被最大內(nèi)切圓的直徑在0.2μm以上且1.5μm以下的多個(gè)微小區(qū)域δ分割，且一個(gè)該微小區(qū)域δ與其它多個(gè)該微小區(qū)域δ相鄰且被其它多個(gè)該微小區(qū)域δ包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域δ由以40％以上且98％以下的比率從該多個(gè)微小區(qū)域δ中選出的多個(gè)微小區(qū)域δ1、和除了該多個(gè)微小區(qū)域δ1以外的多個(gè)微小區(qū)域δ2構(gòu)成，所述微小區(qū)域δ1，相對于與所述另一個(gè)面平行的規(guī)定的基準(zhǔn)面朝著所述另一個(gè)面的上方突出，突出高度是d/2，所述微小區(qū)域δ2，相對于所述規(guī)定的基準(zhǔn)面朝著所述另一個(gè)面的下方凹陷，凹陷深度是d/2，所述規(guī)定的基準(zhǔn)面位于所述微小區(qū)域δ1和所述微小區(qū)域δ2的在與所述另一個(gè)面垂直的方向上的中間位置，所述d在0.2μm以上且1.4μm以下。
2、 一種薄膜，使用時(shí)讓該薄膜的一個(gè)面與發(fā)光體相鄰接，該薄膜透 明，其特征在于該薄膜的另一個(gè)面假想地被最大內(nèi)切圓的直徑在0. 2/im以上且1. 5 //m以下的多個(gè)微小區(qū)域5分割，且一個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該微小 區(qū)域5相鄰且被其它該多個(gè)微小區(qū)域5包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域5中的每一個(gè)微小區(qū)域(5 ，以相對于與所述另一 個(gè)面平行的規(guī)定的基準(zhǔn)面而言范圍在O以上且d/2以下的隨機(jī)高度位于 上方或者范圍在0以上且d/2以下的隨機(jī)深度位于下方，所述規(guī)定的基準(zhǔn)面，在存在于與所迷另一個(gè)面垂直的方向上的最高 位置的所述微小區(qū)域5和存在于最低位置的所迷微小區(qū)域5的中間位置 上，所述d在0. 2//m以上且1. 4//m以下。
3、 一種薄膜，使用時(shí)讓該薄膜的一個(gè)面與發(fā)光體相鄰接，該薄膜透明，其特征在于該薄膜的另一個(gè)面假想地被最大內(nèi)切圓的直徑在0. 4//m以上且1.0 /zm以下的多個(gè)微小區(qū)域5分割，且一個(gè)該微小區(qū)域(5與其它多個(gè)該微小 區(qū)域5相鄰且被其它該多個(gè)微小區(qū)域5包圍，所迷多個(gè)微小區(qū)域5由多個(gè)微小區(qū)域51和除了該多個(gè)微小區(qū)域51以外的多個(gè)微小區(qū)域(？2構(gòu)成，所迷微小區(qū)域5 i和所述微小區(qū)域5 2，使垂直于所述一個(gè)面入射的光 中透過所述微小區(qū)域(51的光和透過所述微小區(qū)域52的光之間產(chǎn)生180 度的相位差。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的薄膜，其特征在于 所述微小區(qū)域5是多角形且該多角形的形狀互相完全相同。
5、 一種發(fā)光裝置，包括發(fā)光體和設(shè)置在該發(fā)光體的發(fā)光面上的透明 保護(hù)層，其特征在于所述保護(hù)層的與所述發(fā)光面相鄰的面的相反一側(cè)的面，假想地被最 大內(nèi)切圓的直徑在0. 2〃m以上且1. 5m以下的多個(gè)微小區(qū)域5分割， 且一個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該微小區(qū)域(5相鄰且被其它多個(gè)該微小 區(qū)域5包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域5由以40%以上且98%以下的比率從該多個(gè)徵小 區(qū)域5中選出的多個(gè)微小區(qū)域(5 i、和除了該多個(gè)微小區(qū)域51以外的多個(gè)徵小區(qū)域52構(gòu)成，所述微小區(qū)域Si，相對于與所述另一個(gè)面平行的規(guī)定的基準(zhǔn)面朝著 所述另一個(gè)面的上方突出，突出高度是d/2,所述微小區(qū)域(5 2，相對于所述規(guī)定的基準(zhǔn)面朝著所述另一個(gè)面的下 方凹陷，凹陷深度是d/2，所述規(guī)定的基準(zhǔn)面位于所述微小區(qū)域Sl和所述微小區(qū)域(？2的在與所迷另一個(gè)面垂直的方向上的中間位置，所述發(fā)光體發(fā)出光譜的中心波長是;i的光，所述保護(hù)層的折射率是ni，所述保護(hù)層在所迷相反一側(cè)的面接觸的介質(zhì)的折射率是no， no比ni小，人/6 (ni-no) < d <入/ (m-no)。
6、 一種發(fā)光裝置，包括發(fā)光體和設(shè)置在該發(fā)光體的發(fā)光面上的透明 保護(hù)層，其特征在于所述保護(hù)層的與所述發(fā)光面相鄰的面的相反一側(cè)的面，假想地被最 大內(nèi)切圓的直徑在0. 2/zm以上且1. 5//m以下的多個(gè)微小區(qū)域<5分割， 且一個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該微小區(qū)域5相鄰且被其它該多個(gè)微小 區(qū)域5包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域5中的每一個(gè)微小區(qū)域5 ，以相對于與所述另一 個(gè)面平行的規(guī)定的基準(zhǔn)面而言范圍在O以上且d/2以下的隨機(jī)高度位于 上方或者范圍在0以上且d/2以下的隨機(jī)深度位于下方，所述規(guī)定的基準(zhǔn)面，在存在于與所述另一個(gè)面垂直的方向上的最高 位置的所述微小區(qū)域(5和存在于最低位置的所述微小區(qū)域5的中間位置 上，所述發(fā)光體發(fā)出光i普的中心波長是A的光，所述保護(hù)層的折射率是m，所述保護(hù)層在所述相反一側(cè)的面接觸的 介質(zhì)的折射率是no， no比ni小，A/6 (ni-no) < d 〈入/ (ni-no)。
7、 一種發(fā)光裝置，包括發(fā)光體和設(shè)置在該發(fā)光體的發(fā)光面上的透明 保護(hù)層，其特征在于所述保護(hù)層的與所述發(fā)光面相鄰的面的相反一側(cè)的面，假想地被最 大內(nèi)切圓的直徑在0. 4/zm以上且1. O^m以下的多個(gè)微小區(qū)域S分割， 且一個(gè)該微小區(qū)域5與其它多個(gè)該微小區(qū)域5相鄰且被其它該多個(gè)微小 區(qū)域5包圍，所述多個(gè)微小區(qū)域(5由多個(gè)微小區(qū)域51和除了該多個(gè)微小區(qū)域(5 i以外的多個(gè)微小區(qū)域52構(gòu)成，所述微小區(qū)域51和所述微小區(qū)域(5 2，使從所述發(fā)光體垂直入射到所 迷保護(hù)層的與所迷發(fā)光面相鄰的面的光中透過所述微小區(qū)域Si的光和 透過所迷微小區(qū)域5 2的光之間產(chǎn)生180度的相位差。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的發(fā)光裝置，其特征在于 所述介質(zhì)是空氣。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的發(fā)光裝置，其特征在于 所述介質(zhì)是氣凝膠。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5、 6、 8以及9中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的發(fā)光裝 置，其特征在于當(dāng)所迷發(fā)光體的發(fā)光部分的折射率是n2時(shí)，n2 — m〈0. 1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜及發(fā)光裝置。發(fā)光裝置具有在透明基板(5)表面的表面結(jié)構(gòu)(13)，用最大內(nèi)切圓的直徑在0.2μm以上且1.5μm以下的微小區(qū)域假想地?zé)o間隙地對該透明基板(5)進(jìn)行分割，各個(gè)微小區(qū)域在透明基板(5)的表面上呈凸形狀或凹形狀，是凸還是凹的比率分別為P、1-P，P在從0.4到0.98的范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明提供一種薄膜及發(fā)光裝置，讓臨界角以上的對透明基板的入射光射出，實(shí)現(xiàn)取光效率的大幅度提高，同時(shí)，防止外來光映入，抑制方位不同產(chǎn)生光強(qiáng)度的強(qiáng)弱分布，色彩失去平衡等。
文檔編號(hào)H05B33/02GK101578537SQ20088000150
公開日2009年11月11日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者西脅青兒 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社