JP2013164429A - カラーフィルタおよびこれを備えた反射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長選択性や反射率に優れたカラーフィルタを提供する。
【解決手段】カラーフィルタ１Ａは、表面および裏面を有する半波長板３と、二次元の屈折率周期構造を有し、半波長板３の上記表面側に配置された表面側フォトニック結晶層５と、二次元の屈折率周期構造を有し、半波長板３の上記裏面側に配置された裏面側フォトニック結晶層７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトニック結晶構造を利用したカラーフィルタおよびこれを備えた反射型表示装置に関する。

近年、表示装置の適用範囲は拡大を続けており、テレビジョンやパーソナルコンピュータはもとより、携帯電話、携帯音楽プレイヤ、電子広告、電子ペーパ等、様々な機器において表示装置の利用が普及している。表示装置は、一般にその表示方式に基づいて透過型表示装置と反射型表示装置とに大別される。

通常、透過型表示装置は、表示部の裏面側に光源としてのバックライトが設けられてなる表示装置であり、バックライトから照射された光を利用して表示部に表示された画像を視認可能にするものである。一方、反射型表示装置は、表示部の表示面側から入射した外光を表示部の裏面側において反射させることにより、当該反射光を利用して表示部に表示された画像を視認可能にするものである。

したがって、反射型表示装置は、バックライトを必要としない点において透過型表示装置に比べて消費電力が小さいという利点があるため、携帯電話や携帯音楽プレイヤ、電子ペーパ等、特に低消費電力化が求められる機器においてその利用に適している。

しかしながら、反射型表示装置は、一般的に画面が暗くなってしまう傾向にあり、視認性の点において透過型表示装置に劣っているため、その普及があまり進んでいない。反射型表示装置において、画面が暗くなってしまう現象は、入射光の利用効率が低いことにその一因があり、その改善が強く望まれているところである。

従来、表示装置に利用されるカラーフィルタとしては、たとえば赤色、緑色および青色等の顔料を用いたものが利用されている。この顔料を用いたカラーフィルタにあっては、顔料が呈する光の吸収スペクトルによって色相が決定されるため、ある程度カラーフィルタを厚く構成することが必要になり、その結果、透光率が低下してしまう傾向にある。

反射型表示装置においては、入射した外光の光量によって表示に利用できる光の光量が決定されてしまうため、反射型表示装置において上述した如くの顔料を用いたカラーフィルタを利用した場合には、高色純度を再現しようとすると透光率が低下してしまい、結果として大幅に画面輝度が低下してしまう問題が生じる。

そこで、近年、上述した問題の解決を図るために、フォトニック結晶構造を利用したカラーフィルタを採用することが提案されている。フォトニック結晶構造は、周期的に屈折率が変化するナノ構造体の総称であり、その屈折率が変化する周期を入射する光の波長以下とすることにより、高い波長選択性が実現できるものである。したがって、フォトニック結晶構造を利用したカラーフィルタを採用することにより、当該カラーフィルタにおいて特定波長の光を選択的に反射させ、その他の波長の光を透過させることが可能になる。

フォトニック結晶構造を利用したカラーフィルタにおいては、フォトニック結晶構造の有する光バンドによって色相が決定されるため、適切な構造を用いることで高い反射率を実現することができる。したがって、反射型表示装置において、上述した如くのフォトニック結晶構造を利用したカラーフィルタを用いれば、従来に比して大幅に画面輝度を向上させることが可能になる。

また、フォトニック結晶構造は、その屈折率の周期的な変化が一次元的であるか、二次元的であるか、あるいは三次元的であるかに基づいて、一次元フォトニック結晶構造と、二次元フォトニック結晶構造と、三次元フォトニック結晶構造とに大別される。従来においては、カラーフィルタに一次元フォトニック結晶構造が適用されることが検討されていたが、一次元フォトニック結晶構造は、偏光依存性や光入射角依存性の影響によって十分な波長選択性や反射率が得られないという問題があった。

そのため、さらなる波長選択性や反射率の改善を目的に、カラーフィルタに二次元フォトニック結晶構造を適用することが、特開２００９−２７６７６６号公報（特許文献１）において提案されている。当該特許文献１においては、透明基板上に二次元フォトニック結晶構造を設けることによってこれら透明基板と二次元フォトニック結晶構造とによってカラーフィルタを構成することが開示されている。

ここで、二次元フォトニック結晶構造は、一次元フォトニック結晶構造に比べて偏光依存性や光入射角依存性の影響による波長選択性や反射率の低下が小さい。そのため、当該二次元フォトニック結晶構造を利用したカラーフィルタを具備した反射型表示装置とすることにより、高色純度と画面輝度の向上との両立が図られることになる。

特開２００９−２７６７６６号公報

しかしながら、二次元フォトニック結晶構造は、一次元フォトニック結晶構造に比べて偏光依存性や光入射角依存性の影響による波長選択性や反射率の低下が小さいものの、偏光依存性や光入射角依存性の影響による反射率の低下が依然として生じてしまう問題がある。

より詳細には、二次元フォトニック結晶構造においては、入射面（すなわち、入射光線を反射する反射面に垂直でかつ入射光線と反射光線とを含む平面）に対して垂直に電場が振動するｓ偏光については、光入射角依存性の影響が小さく、そのため光入射角が大きい場合にも波長選択性や反射率の低下が殆ど生じない反面、入射面に対して平行に電場が振動するｐ偏光については、光入射角依存性の影響が大きく、そのため光入射角が大きくなるにつれ反射率の低下が顕著となってしまう。

そのため、上述した特許文献１に開示の如くのカラーフィルタとした場合には、光入射角が大きくなるにつれて反射率の低下が顕著となってしまう問題があり、この点の改善が必要となっている。

したがって、本発明は、上述した問題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、波長選択性や反射率に優れたカラーフィルタを提供することにあり、また当該カラーフィルタを利用することで視認性に優れた反射型表示装置を提供することにある。

本発明に基づくカラーフィルタは、表面および裏面を有する半波長板と、二次元の屈折率周期構造を有し、上記半波長板の上記表面側に配置された表面側フォトニック結晶層と、二次元の屈折率周期構造を有し、上記半波長板の上記裏面側に配置された裏面側フォトニック結晶層とを備えている。

上記本発明に基づくカラーフィルタにあっては、上記表面側フォトニック結晶層が、第１の周期的な屈折率変化を有する第１フォトニック結晶領域を含んでいるとともに、上記裏面側フォトニック結晶層が、上記第１の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第２フォトニック結晶領域を含んでいることが好ましい。その場合には、上記第１フォトニック結晶領域と上記第２フォトニック結晶領域とが、上記半波長板を挟んで対応して配置されていることが好ましい。

上記本発明に基づくカラーフィルタにあっては、上記表面側フォトニック結晶層が、上記第１の周期的な屈折率変化と異なる第２の周期的な屈折率変化を有する第３フォトニック結晶領域をさらに含んでいるとともに、上記裏面側フォトニック結晶層が、上記第２の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第４フォトニック結晶領域をさらに含んでいてもよい。その場合には、上記第３フォトニック結晶領域と上記第４フォトニック結晶領域とが、上記半波長板を挟んで対応して配置されていることが好ましい。

上記本発明に基づくカラーフィルタにあっては、上記表面側フォトニック結晶層が、上記第１の周期的な屈折率変化および上記第２の周期的な屈折率変化のいずれとも異なる第３の周期的な屈折率変化を有する第５フォトニック結晶領域をさらに含んでいるとともに、上記裏面側フォトニック結晶層が、上記第３の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第６フォトニック結晶領域をさらに含んでいてもよい。その場合には、上記第５フォトニック結晶領域と上記第６フォトニック結晶領域とが、上記半波長板を挟んで対応して配置されることが好ましい。

上記本発明に基づくカラーフィルタは、上記半波長板の上記表面上に配置された表面側透光基板と、上記半波長板の上記裏面上に配置された裏面側透光基板とをさらに備えていることが好ましい。その場合には、上記表面側フォトニック結晶層が、上記表面側透光基板の上記半波長板が位置する側の主面とは反対側の主面上に設けられているとともに、上記裏面側フォトニック結晶層が、上記裏面側透光基板の上記半波長板が位置する側の主面とは反対側の主面上に設けられていることが好ましい。

上記本発明に基づくカラーフィルタにあっては、上記表面側フォトニック結晶層および上記裏面側フォトニック結晶層が、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体と、これら複数のブロック構造体の間に位置する空隙部とによって構成されていることが好ましい。

上記本発明に基づくカラーフィルタにあっては、上記表面側フォトニック結晶層および上記裏面側フォトニック結晶層が、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体と、これら複数のブロック構造体の間を充填する透光部材とによって構成されていることが好ましい。

本発明に基づく反射型表示装置は、上述したいずれかのカラーフィルタと、当該カラーフィルタの上記表面側フォトニック結晶層に対向して配置された光スイッチング手段とを備えている。

上記本発明に基づく反射型表示装置にあっては、上記光スイッチング手段が、液晶層にて構成されていることが好ましい。

上記本発明に基づく反射型表示装置にあっては、上記光スイッチング手段が、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）シャッタにて構成されていることが好ましい。

本発明によれば、波長選択性や反射率に優れたカラーフィルタとすることができ、当該カラーフィルタを利用することで視認性に優れた反射型表示装置とすることができる。

本発明の実施の形態１におけるカラーフィルタの断面図である。 図１に示すカラーフィルタの上面図である。 図１に示すカラーフィルタの下面図である。 本発明の実施の形態１におけるカラーフィルタの機能を説明するための模式図である。 フォトニック結晶構造を利用した従来のカラーフィルタの赤色フィルタ部に白色光が照射された場合の代表的な光の経路を示す模式断面図である。 本実施の形態におけるカラーフィルタの赤色フィルタ部に白色光が照射された場合の代表的な光の経路を示す模式断面図である。 実施例に係るカラーフィルタの赤色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（０°、１０°、２０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの赤色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（３０°、４０°、５０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの緑色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（０°、１０°、２０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの緑色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（３０°、４０°、５０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの青色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（０°、１０°、２０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの青色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（３０°、４０°、５０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの赤色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（０°、１０°、２０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの赤色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（３０°、４０°、５０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの緑色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（０°、１０°、２０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの緑色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（３０°、４０°、５０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの青色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（０°、１０°、２０°）を示すグラフである。 実施例に係るカラーフィルタの青色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性（３０°、４０°、５０°）を示すグラフである。 本発明の実施の形態２におけるカラーフィルタの断面図である。 本発明の実施の形態３における反射型表示装置の模式断面図である。 本発明の実施の形態４における反射型表示装置の模式断面図である。 本発明の実施の形態５における反射型表示装置の模式断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。以下に示す実施の形態の形態においては、本発明が適用されたカラーフィルタを実施の形態１および２において例示して説明し、本発明が適用された反射型表示装置を実施の形態３ないし５において例示して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるカラーフィルタの断面図である。図２は、図１に示すカラーフィルタの上面図であり、図３は、図１に示すカラーフィルタの下面図である。また、図４は、本実施の形態におけるカラーフィルタの機能を説明するための模式図である。まず、これら図１ないし図４を参照して、本実施の形態におけるカラーフィルタの構造および機能について説明する。

図１ないし図３に示すように、本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ａは、赤色フィルタ部２Ｒ、緑色フィルタ部２Ｇおよび青色フィルタ部２Ｂを含む、いわゆるＲＧＢカラーフィルタである。カラーフィルタ１Ａは、全体としてその外形が平板状となるように構成されており、通常は、図示する如くの赤色フィルタ部２Ｒ、緑色フィルタ部２Ｇおよび青色フィルタ部２Ｂを単位ユニットとしてこれを複数含むように構成される。

より詳細には、カラーフィルタ１Ａは、半波長板３と、表面側透光基板４と、表面側フォトニック結晶層５と、裏面側透光基板６と、裏面側フォトニック結晶層７とを含み、これらの積層体として構成されている。上述した赤色フィルタ部２Ｒ、緑色フィルタ部２Ｇ、青色フィルタ部２Ｂのそれぞれは、主としてこれらフィルタ部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに対応する部分に位置する表面側フォトニック結晶層５、半波長板３および裏面側フォトニック結晶層７によって構成される。

半波長板３は、光に１／２波長の位相差を生じさせる光学系であり、入射した光線の振動方向を９０°回転させて出射する機能を有する。半波長板３は、たとえば水晶、雲母、カールサイトといった天然結晶にて構成される。半波長板３は、表面および裏面を一対の主表面として有する平板状の部材からなり、その厚みは、材料によって一意に決まる。

表面側透光基板４は、光を透過可能な平板状の部材からなり、上述した半波長板３の表面上に配置されている。表面側透光基板４は、たとえばガラス基板や透明なプラスチック基板にて構成され、その厚みは特に制限されるものではないが、７８０ｎｍ〜９００μｍ程度とされることが好ましい。

表面側フォトニック結晶層５は、二次元の屈折率周期構造を有しており、より詳細には、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体５ａと、これら複数のブロック構造体５ａの間に位置する空隙部とによって構成されている。表面側フォトニック結晶層５は、表面側透光基板４の一対の主面のうち、半波長板３が位置する側の主面とは反対側の主面上に設けられている。上述した複数のブロック構造体５ａは、たとえばＳｉ、ＳｉＣ、ＺｎＳ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＧａＴｅ、ＡｇＩ、ＴｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＧａＰまたはこれらの合成物にて構成される。

表面側フォトニック結晶層５は、第１の周期的な屈折率変化を有する第１フォトニック結晶領域と、上記第１の周期的な屈折率変化と異なる第２の周期的な屈折率変化を有する第３フォトニック結晶領域と、上記第１の周期的な屈折率変化および上記第２の周期的な屈折率変化と異なる第３の周期的な屈折率変化を有する第５フォトニック結晶領域とを含んでいる。このうち、第１フォトニック結晶領域は、赤色フィルタ部２Ｒに対応する部分に配置され、第３フォトニック結晶領域は、緑色フィルタ部２Ｇに対応する部分に配置され、第５フォトニック結晶領域は、青色フィルタ部２Ｂに対応する部分に配置される。

裏面側透光基板６は、光を透過可能な平板状の部材からなり、上述した半波長板３の裏面上に配置されている。裏面側透光基板６は、たとえばガラス基板や透明なプラスチック基板にて構成され、その厚みは特に制限されるものではないが、７８０ｎｍ〜９００μｍ程度とされることが好ましい。

裏面側フォトニック結晶層７は、二次元の屈折率周期構造を有しており、より詳細には、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体７ａと、これら複数のブロック構造体７ａの間に位置する空隙部とによって構成されている。裏面側フォトニック結晶層７は、裏面側透光基板６の一対の主面のうち、半波長板３が位置する側の主面とは反対側の主面上に設けられている。上述した複数のブロック構造体７ａは、たとえばＳｉ、ＳｉＣ、ＺｎＳ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＧａＴｅ、ＡｇＩ、ＴｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＧａＰまたはこれらの合成物にて構成される。

裏面側フォトニック結晶層７は、上述した第１の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第２フォトニック結晶領域と、上述した第２の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第４フォトニック結晶領域と、上述した第３の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第６フォトニック結晶領域とを含んでいる。このうち、第２フォトニック結晶領域は、赤色フィルタ部２Ｒに対応する部分に配置され、第４フォトニック結晶領域は、緑色フィルタ部２Ｇに対応する部分に配置され、第６フォトニック結晶領域は、青色フィルタ部２Ｂに対応する部分に配置される。

ここで、赤色フィルタ部２Ｒを構成する部分の表面側フォトニック結晶層５および裏面側フォトニック結晶層７（すなわち、上記第１フォトニック結晶領域および上記第２フォトニック結晶領域）にあっては、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体５ａ，７ａの配置ピッチＤ_R（すなわち、上記第１の周期的な屈折率変化の周期）が約３００ｎｍとされ、各々のブロック構造体５ａ，７ａの幅Ｌ_Rが約１５０ｎｍとされ、各々のブロック構造体５ａ，７ａの高さＨ_Rが約２５０ｎｍとされている。

また、緑色フィルタ部２Ｇを構成する部分の表面側フォトニック結晶層５および裏面側フォトニック結晶層７（すなわち、上記第３フォトニック結晶領域および上記第４フォトニック結晶領域）にあっては、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体５ａ，７ａの配置ピッチＤ_G（すなわち、上記第２の周期的な屈折率変化の周期）が約２４０ｎｍとされ、各々のブロック構造体５ａ，７ａの幅Ｌ_Gが約１２０ｎｍとされ、各々のブロック構造体５ａ，７ａの高さＨ_Gが約１９０ｎｍとされている。

また、青色フィルタ部２Ｂを構成する部分の表面側フォトニック結晶層５および裏面側フォトニック結晶層７（すなわち、上記第５フォトニック結晶領域および上記第６フォトニック結晶領域）にあっては、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体５ａ，７ａの配置ピッチＤ_B（すなわち、上記第３の周期的な屈折率変化の周期）が約２１０ｎｍとされ、各々のブロック構造体５ａ，７ａの幅Ｌ_Bが約１０５ｎｍとされ、各々のブロック構造体５ａ，７ａの高さＨ_Bが約１７０ｎｍとされている。

図４に示すように、本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ａにあっては、当該カラーフィルタ１Ａの表面側フォトニック結晶層５が配置された側の主面に白色光が照射された場合に、赤色フィルタ部２Ｒにおいて、主として赤色を呈する波長域の光（波長６２０ｎｍ〜７５０ｎｍの光）のみが選択的に反射され、他の波長域の光が透過され、緑色フィルタ部２Ｇにおいて、主として緑色を呈する波長域の光（波長４９５ｎｍ〜５７０ｎｍの光）のみが選択的に反射され、他の波長域の光が透過され、青色フィルタ部２Ｂにおいて、主として青色を呈する波長域の光（波長４５０ｎｍ〜４９５ｎｍの光）のみが選択的に反射され、他の波長域の光が透過される。これにより、特定の波長域の光がカラーフィルタ１Ａの各フィルタ部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂにて反射されることでカラーフィルタとしての波長選択性が実現される。

図５は、フォトニック結晶構造を利用した従来のカラーフィルタの赤色フィルタ部に白色光が照射された場合の代表的な光の経路を示す模式断面図であり、図６は、本実施の形態におけるカラーフィルタの赤色フィルタ部に白色光が照射された場合の代表的な光の経路を示す模式断面図である。次に、これら図５および図６を参照して、本実施の形態におけるカラーフィルタとすることにより、フォトニック結晶構造を利用した従来のカラーフィルタとした場合よりも波長選択性や反射率に優れたカラーフィルタとすることができる仕組みについて説明する。

図５に示すように、フォトニック結晶構造を利用した従来のカラーフィルタ１′にあっては、透光基板４′の一対の主面のうちの一方の主面である表面上に二次元の屈折率周期構造を有するフォトニック結晶層５′が設けられている。当該フォトニック結晶層５′は、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体５ａ′を含んでいる。

当該従来のカラーフィルタ１′においては、自然光等の白色光が赤色フィルタ部２Ｒ′に照射された場合に、白色光に含まれる緑色光１００Ｇおよび青色光１００Ｂ等の赤色光１００Ｒ以外の光が選択的にフォトニック結晶層５′を透過し、さらに透光基板４′を透過することになる。一方、上記白色光に含まれる赤色光１００Ｒは、フォトニック結晶層５′においてその少なくとも一部が選択的に反射されることになる。

ここで、フォトニック結晶層５′は、上述したように二次元の屈折率周期構造を有する、いわゆる二次元フォトニック結晶構造であるため、入射面（すなわち、入射光線を反射する反射面に垂直でかつ入射光線と反射光線とを含む平面）に対して垂直に電場が振動するｓ偏光については、光入射角依存性の影響が小さく、そのため光入射角が大きい場合にも波長選択性や反射率の低下が殆ど生じない反面、入射面に対して平行に電場が振動するｐ偏光については、光入射角依存性の影響が大きく、そのため光入射角が大きくなるにつれ反射率の低下が顕著となる。

したがって、図５に示すように、光入射角θがある程度大きい値をとった場合には、赤色光１００Ｒのｐ偏光成分１００Ｒ（ｐ）がフォトニック結晶層５′にて反射されずに透過し、赤色光１００Ｒのｓ偏光成分１００Ｒ（ｓ）のみがフォトニック結晶層５′にて反射されることとなって、赤色フィルタ部２Ｒ′における反射率の著しい低下が生じてしまうこととなる。なお、その図示や説明は省略するが、上記現象は、他の色のフィルタ部においても同様に生じる。

一方、図６に示すように、本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ａにあっては、上述したように、半波長板３を挟みこむように表面側透光基板４および裏面側透光基板６が配置され、表面側透光基板４の主面上に二次元の屈折率周期構造を有するフォトニック結晶層５が設けられるとともに、裏面側透光基板６の主面上に二次元の屈折率周期構造を有するフォトニック結晶層７が設けられている。

当該本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ａにおいては、自然光等の白色光が赤色フィルタ部２Ｒに照射された場合に、白色光に含まれる緑色光１００Ｇおよび青色光１００Ｂ等の赤色光１００Ｒ以外の光が選択的に表面側フォトニック結晶層５を透過し、さらに表面側透光基板４、半波長板３、裏面側透光基板６および裏面側フォトニック結晶層７を順次透過することになる。一方、上記白色光に含まれる赤色光１００Ｒは、表面側フォトニック結晶層５においてその少なくとも一部が選択的に反射されるとともに、裏面側フォトニック結晶層７においてもその少なくとも一部が選択的に反射されることになる。

より詳細には、光入射角θがある程度大きい値とった場合には、赤色光１００Ｒのｓ偏光成分１００Ｒ（ｓ）が表面側フォトニック結晶層５にて反射され、赤色光１００Ｒのｐ偏光成分１００Ｒ（ｐ）が表面側フォトニック結晶層５にて反射されずに透過するが、透過した赤色光１００Ｒのｐ偏光成分１００Ｒ（ｐ）は、表面側透光基板４を透過して半波長板３に入射する。半波長板３に入射した赤色光１００Ｒのｐ偏光成分１００Ｒ（ｐ）は、半波長板３を透過する際に振動方向が９０°回転させられるため、ｓ偏光成分１００Ｒ（ｓ）に変換されて裏面側透光基板６に入射する。

裏面側透光基板６に入射した変換後のｓ偏光成分１００Ｒ（ｓ）は、裏面側透光基板６を透過し、裏面側フォトニック結晶層７に照射される。裏面側フォトニック結晶層７に照射された変換後のｓ偏光成分１００Ｒ（ｓ）は、入射面に対して垂直に電場が振動するｓ偏光であるため、光入射角依存性の影響が小さく、そのため光入射角θが大きい場合にも高い反射率で反射されることになる。

裏面側フォトニック結晶層７にて反射されたｓ偏光成分１００Ｒ（ｓ）は、裏面側透光基板６を透過して再び半波長板３に入射する。半波長板３に入射した反射後のｓ偏光成分１００Ｒ（ｓ）は、半波長板３を透過する際に振動方向が９０°回転させられるため、ｐ偏光成分１００Ｒ（ｐ）に変換されて表面側透光基板４に入射する。

表面側透光基板４に入射した変換後のｐ偏光成分１００Ｒ（ｐ）は、表面側透光基板４を透過し、表面側フォトニック結晶層５に照射される。表面側フォトニック結晶層５に照射された変換後のｐ偏光成分１００Ｒ（ｐ）は、入射面に対して垂直に電場が振動するｐ偏光であるため、光入射角依存性の影響が大きく、そのため光入射角θが大きい場合には表面側フォトニック結晶層５を透過する。

したがって、本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ａにあっては、光入射角θがある程度大きい値とった場合にも、赤色フィルタ部２Ｒに照射された白色光に含まれる赤色光１００Ｒが、表面側フォトニック結晶層５においてその少なくとも一部が選択的に反射されるとともに、裏面側フォトニック結晶層７においてもその少なくとも一部が選択的に反射されることになる。そのため、本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ａとすることにより、上述した従来のカラーフィルタ１′とした場合に比べ、表面側フォトニック結晶層５において反射された赤色光のみならず裏面側フォトニック結晶層７において反射された赤色光までもがカラーフィルタ１Ａの赤色フィルタ部２Ｒにおける反射光として得られることになり、赤色フィルタ部２Ｒにおける反射率が全体として大幅に向上することになる。なお、その図示や説明は省略するが、当該反射率の向上は、他の色のフィルタ部においても同様に得ることができる。

すなわち、本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ａとすることにより、上述した従来のカラーフィルタ１′とした場合にはその利用ができなかった入射光のｐ偏光成分を、裏面側フォトニック結晶層７において反射してカラーフィルタ１Ａの表面側から出射させて利用することが可能になる。したがって、本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ａとすることにより、偏光依存性や入射角依存性の影響による波長選択性や反射率の低下を大幅に低減することができ、その結果、波長選択性や反射率に優れたカラーフィルタとすることができる。

図７ないし図１８は、本実施の形態に基づいた実施例に係るカラーフィルタを具体的に設計し、当該設計したカラーフィルタの表面側フォトニック結晶層および裏面側フォトニック結晶層における反射特性をＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法に基づいて算出した結果を示すグラフである。より詳細には、図７および図８は、実施例に係るカラーフィルタの赤色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性を示すグラフであり、図９および図１０は、実施例に係るカラーフィルタの緑色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性を示すグラフであり、図１１および図１２は、実施例に係るカラーフィルタの青色フィルタ部の表面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性を示すグラフである。また、図１３および図１４は、実施例に係るカラーフィルタの赤色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性を示すグラフであり、図１５および図１６は、実施例に係るカラーフィルタの緑色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性を示すグラフであり、図１７および図１８は、実施例に係るカラーフィルタの青色フィルタ部の裏面側フォトニック結晶層の反射特性の光入射角依存性を示すグラフである。

図７ないし図１２に示すように、表面側フォトニック結晶層においては、光入射角θが０°、１０°、２０°の場合に概ね良好な反射特性（すなわち、反射率が概ね０．６〜０．９５程度）が得られるのに対し、光入射角θが３０°、４０°、５０°と大きい値をとるにつれて反射特性の大幅な低下（すなわち、反射率が概ね０．６未満にまで低下）が生じる傾向にあることが確認できる。ここで、表面側フォトニック結晶層に入射する光は、ｓ偏光成分およびｐ偏光成分を含む白色光であり、上述した反射特性の低下は、光入射角依存性に基づいて光入射角θが増加するに伴ってｐ偏光成分が表面側フォトニック結晶層を透過する割合が増加することに起因するものである。なお、上述した従来のカラーフィルタは、前述したように当該表面側フォトニック結晶層のみにて入射光が反射されるように構成されたものであるため、当該結果は、そのまま上述した従来のカラーフィルタの反射特性を示すものでもある。

一方、図１３ないし図１８に示すように、裏面側フォトニック結晶層においては、光入射角θが０°、１０°、２０°の場合のみならず、３０°、４０°、５０°と大きな値をとった場合にも、概ね良好な反射特性（すなわち、反射率が概ね０．６〜０．９５程度）が得られることが確認できる。ここで、裏面側フォトニック結晶層に入射する光は、主として、表面側フォトニック結晶層を透過したｐ偏光成分が、その後半波長板の作用によって変換されることで生じたｓ偏光成分の光であり、上述した反射特性は、当該ｓ偏光成分の反射率を概ね意味することになる。

以上の結果から、本実施の形態におけるカラーフィルタとすることにより、図７ないし図１２に示した反射特性に基づいて表面側フォトニック結晶層にて反射される光に加え、図１３ないし図１８に示した反射特性に基づいて裏面側フォトニック結晶層にて反射される光がカラーフィルタの表面側から出射されることになり、その結果、偏光依存性や入射角依存性の影響による波長選択性や反射率の低下を大幅に低減できることが確認された。

（実施の形態２）
図１９は、本発明の実施の形態２におけるカラーフィルタの断面図である。以下においては、図１９を参照して、本実施の形態におけるカラーフィルタの構造について説明する。なお、上述した実施の形態１におけるカラーフィルタと同様の部分について図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図１９に示すように、本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ｂは、上述した実施の形態１におけるカラーフィルタ１Ａと同様に、赤色フィルタ部２Ｒ、緑色フィルタ部２Ｇおよび青色フィルタ部２Ｂを含む、いわゆるＲＧＢカラーフィルタである。カラーフィルタ１Ｂは、半波長板３と、表面側透光基板４と、表面側フォトニック結晶層５と、裏面側透光基板６と、裏面側フォトニック結晶層７とを含み、これらの積層体として構成されている。上述した赤色フィルタ部２Ｒ、緑色フィルタ部２Ｇ、青色フィルタ部２Ｂのそれぞれは、主としてこれらフィルタ部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに対応する部分に位置する表面側フォトニック結晶層５、半波長板３および裏面側フォトニック結晶層７によって構成される。

ここで、カラーフィルタ１Ｂにあっては、表面側フォトニック結晶層５に含まれる複数のブロック構造体５ａを封止するように表面側透光基板４の主表面上に表面側透光部材８が設けられるとともに、裏面側フォトニック結晶層７に含まれる複数のブロック構造体７ａを封止するように裏面側透光基板６の主表面上に裏面側透光部材９が設けられている。すなわち、表面側透光基板４の主表面上において、複数のブロック構造体５ａの間の空間が、表面側透光部材８によって充填されるとともに、裏面側透光基板６の主表面上において、複数のブロック構造体７ａの間の空間が、裏面側透光部材９によって充填されている。

これにより、表面側フォトニック結晶層５は、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体５ａと、これら複数のブロック構造体５ａの間を充填する表面側透光部材８とによって構成されることになり、裏面側フォトニック結晶層７は、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体７ａと、これら複数のブロック構造体７ａの間を充填する裏面側透光部材９とによって構成されることになる。なお、表面側透光部材８および裏面側透光部材９は、たとえば透明有機物にて構成され、その厚みは特に限定されるものではない。

以上において説明した本実施の形態におけるカラーフィルタ１Ｂとした場合にも、上述した実施の形態１におけるカラーフィルタ１Ａとした場合と同様に、偏光依存性や入射角依存性の影響による波長選択性や反射率の低下を大幅に低減することができる。したがって、当該構成のカラーフィルタ１Ｂとすることにより、波長選択性や反射率に優れたカラーフィルタとすることができる。

（実施の形態３）
図２０は、本発明の実施の形態３における反射型表示装置の模式断面図である。以下においては、図２０を参照して、本実施の形態における反射型表示装置の構造について説明する。なお、上述した実施の形態１と同様の部分について図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図２０に示すように、本実施の形態における反射型表示装置１０Ａは、上述した実施の形態１におけるカラーフィルタ１Ａを具備してなるものである。反射型表示装置１０Ａは、カラーフィルタ１Ａと、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板１２と、液晶層１３と、対向基板１４と、偏光板１５と、遮光基板１６と、支持部材１７とを主として備えている。

ＴＦＴ基板１２は、ＴＦＴ（不図示）が設けられた透光基板１２ａと、透明電極層１２ｂと、配向膜（不図示）とを主として有しており、カラーフィルタ１Ａの表面側フォトニック結晶層５が設けられた主表面に対向して配置されている。透明電極層１２ｂは、透光基板１２ａの上面上に設けられており、配向膜は、透明電極層１２ｂやＴＦＴを覆うように透光基板１２ａの上記上面上に設けられている。透光基板１２ａは、たとえば屈折率が十分に低いガラス基板や透明プラスチック基板等にて構成され、透明電極層１２ｂは、たとえばＩＴＯ（Indium Thin Oxide）膜等にて構成される。また、配向膜は、たとえばポリイミド膜等にて構成される。

対向基板１４は、透光基板１４ａと、透明電極層１４ｂと、配向膜（不図示）とを主として有しており、ＴＦＴ基板１２の上面に対向して配置されている。透明電極層１４ｂは、透光基板１４ａの下面上に設けられており、配向膜は、透明電極層１４ｂを覆うように透光基板１４ａの上記下面上に設けられている。透光基板１４ａは、たとえば屈折率が十分に低いガラス基板や透明プラスチック基板等にて構成され、透明電極層１４ｂは、たとえばＩＴＯ膜等にて構成される。また、配向膜は、たとえばポリイミド膜等にて構成される。

液晶層１３は、光スイッチング手段として機能するものであり、上述したＴＦＴ基板１２と対向基板１４との間の空間に液晶が充填されることで構成されている。液晶としては、ネマティック、スメクティック、コレステリックまたはこれらの混合物等が適用できる。液晶分子の配向状態としては、ホモジニアス、ホメオトロピック、ツイスト、ハイブリッド、ベンド等が好適である。液晶層１３の厚さは、好ましくは１０μｍ以下とされる。

偏光板１５は、保護フィルム、偏光部、保護フィルムおよび接着剤がこの順で上から順に積層されたものであり、上述した対向基板１４の上面上に配置される。保護フィルムは、好適にはトリアセチルセルロースが使用され、その厚さは、好ましくは４０μｍ以下とされる。偏光部は、ヨウ素または染料等の素材をポリビニルアルコール製のフィルムに吸着・分散させてこれを一方向に延伸したものが好適に使用され、その厚さは、好ましくは２５μｍ〜３０μｍとされる。

遮光基板１６は、たとえば表面にブラックマトリックスが塗布された基板等が使用され、カラーフィルタ１Ａの裏面側フォトニック結晶層７が設けられた主表面に対向して配置されている。

支持部材１７は、上述したカラーフィルタ１Ａ、ＴＦＴ基板１２、液晶層１３、対向基板１４、偏光板１５および遮光基板１６を積層した状態で保持するためのスペーサ兼ホルダとして機能するものであり、表面にブラックマトリックスが塗布された基板等が使用される。

なお、表面側フォトニック結晶層５と液晶層１３との間の距離ｇは、好ましくは可視光の最長波長である７８０ｎｍ以上とされる。これは、フォトニック結晶層７と液晶層１３との間で意図しない光の干渉が生じないようにするためであり、可視光の範囲内で干渉が生じなければ反射型表示装置としての機能が阻害されないためである。

以上において説明した本実施の形態における反射型表示装置１０Ａとすることにより、視野角が広く確保されるとともに、当該広い視野角の範囲内において高色純度と画面輝度の向上との両立が図られた反射型表示装置とすることができる。これは、反射型表示装置１０Ａが、波長選択性や反射率に優れた、上述した実施の形態１におけるカラーフィルタ１Ａを具備しているためである。したがって、当該構成の反射型表示装置１０Ａとすることにより、視認性に優れた反射型表示装置とすることができる。

（実施の形態４）
図２１は、本発明の実施の形態４における反射型表示装置の模式断面図である。以下においては、図２１を参照して、本実施の形態における反射型表示装置の構造について説明する。なお、上述した実施の形態１ないし３と同様の部分について図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図２１に示すように、本実施の形態における反射型表示装置１０Ｂは、上述した実施の形態２におけるカラーフィルタ１Ｂを具備してなるものであり、その構成は、上述した実施の形態３における反射型表示装置１０Ａに準じている。反射型表示装置１０Ｂは、カラーフィルタ１Ｂと、透明電極層８ａと、液晶層１３と、対向基板１４と、偏光板１５と、遮光基板１６と、支持部材１７とを主として備えている。

透明電極層８ａは、カラーフィルタ１Ｂの表面側透光部材８の上面上に設けられており、当該表面側透光部材８の上面上には、さらにＴＦＴ（不図示）が設けられている。また、表面側透光部材８の上記上面上には、透明電極層８ａおよびＴＦＴを覆うように配向膜（不図示）が設けられている。すなわち、本実施の形態における反射型表示装置１０Ｂは、上述した実施の形態３における反射型表示装置１０Ａが具備していたＴＦＴ基板１２の透光基板１２ａをカラーフィルタ１Ｂの表面側透光部材８によって代替したものであり、他の構成は、上述した実施の形態３における反射型表示装置１０Ａと同様である。

以上において説明した本実施の形態における反射型表示装置１０Ｂとした場合にも、上述した実施の形態３における反射型表示装置１０Ａとした場合と同様に、視野角が広く確保されるとともに、当該広い視野角の範囲内において高色純度と画面輝度の向上との両立が図られた反射型表示装置とすることができる。したがって、当該構成の反射型表示装置１０Ｂとすることにより、視認性に優れた反射型表示装置とすることができる。

（実施の形態５）
図２２は、本発明の実施の形態５における反射型表示装置の模式断面図である。以下においては、図２２を参照して、本実施の形態における反射型表示装置の構造について説明する。なお、上述した実施の形態１ないし４と同様の部分について図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図２２に示すように、本実施の形態における反射型表示装置１０Ｃは、上述した実施の形態１におけるカラーフィルタ１Ａを具備してなるものであり、その構成は、上述した実施の形態３における反射型表示装置１０Ａに準じている。反射型表示装置１０Ｃは、カラーフィルタ１Ａと、ＭＥＭＳシャッタ１８と、透光基板１９と、偏光板１５と、遮光基板１６と、支持部材１７とを主として備えている。本実施の形態における反射型表示装置１０Ｃは、光スイッチング手段の構成が上述した実施の形態３における反射型表示装置１０Ａと相違するものであり、他の構成は、上述した実施の形態３における反射型表示装置１０Ａと同様である。

透光基板１９は、カラーフィルタ１Ａの表面側フォトニック結晶層５が設けられた主表面に対向して配置されており、たとえば屈折率が十分に低いガラス基板や透明プラスチック基板等にて構成される。透光基板１９は、ＭＥＭＳシャッタ１８が形成される基材に該当するものであり、ＭＥＭＳシャッタ１８は、当該透光基板１９の下面に設けられている。

ＭＥＭＳシャッタ１８は、ＭＥＭＳ技術を適用することで形成された光スイッチング手段であり、上述した実施の形態３における液晶層１３の代替手段となるものである。具体的には、ＭＥＭＳシャッタ１８は、機械的に光の通過／遮蔽を制御可能なシャッタ構造を有する素子であり、たとえばＰＩＸＴＲＯＮＩＸ社製のＭＥＭＳシャッタ素子が好適に利用可能である。なお、ＭＥＭＳシャッタ１８としては、たとえば特表２００８−５３３５１０号公報に開示される如くのものが利用できる。

以上において説明した本実施の形態における反射型表示装置１０Ｃとした場合にも、上述した実施の形態３における反射型表示装置１０Ａとした場合と同様に、視野角が広く確保されるとともに、当該広い視野角の範囲内において高色純度と画面輝度の向上との両立が図られた反射型表示装置とすることができる。したがって、当該構成の反射型表示装置１０Ｃとすることにより、視認性に優れた反射型表示装置とすることができる。

以上において説明した本発明の実施の形態１ないし５においては、カラーフィルタとして、赤色フィルタ部、緑色フィルタ部および青色フィルタ部を具備してなるいわゆるＲＧＢカラーフィルタを例示して説明を行なった。しかしながら、フィルタ部の数は特に制限されるものではなく、一種のフィルタ部のみを備えてなるカラーフィルタや、二種のフィルタ部のみを備えてなるカラーフィルタ、四種以上のフィルタ部を備えてなるカラーフィルタ等に本発明を適用することも当然に可能である。

また、以上において説明した本発明の実施の形態１ないし５においては、カラーフィルタに設けられるフォトニック結晶構造に具備されるブロック構造体を直方体状のもので構成した場合を例示したが、ブロック構造体の形状としてはこれに限定されるものではなく、円柱状、多角柱状等、種々の形状のブロック構造体とすることもできる。

このように、今回開示した上記各実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１Ａ，１Ｂ カラーフィルタ、２Ｒ 赤色フィルタ部、２Ｇ 緑色フィルタ部、２Ｂ 青色フィルタ部、３ 半波長板、４ 表面側透光基板、５ 表面側フォトニック結晶層、５ａ ブロック構造体、６ 裏面側透光基板、７ 裏面側フォトニック結晶層、７ａ ブロック構造体、８ 表面側透光部材、９ 裏面側透光部材、１０Ａ〜１０Ｃ 反射型表示装置、１２ ＴＦＴ基板、１２ａ 透光基板、１２ｂ 透明電極層、１３ 液晶層、１４ 対向基板、１４ａ 透光基板、１４ｂ 透明電極層、１５ 偏光板、１６ 遮光基板、１７ 支持部材、１８ ＭＥＭＳシャッタ、１９ 透光基板。

Claims (10)

1. 表面および裏面を有する半波長板と、
   二次元の屈折率周期構造を有し、前記半波長板の前記表面側に配置された表面側フォトニック結晶層と、
   二次元の屈折率周期構造を有し、前記半波長板の前記裏面側に配置された裏面側フォトニック結晶層とを備えた、カラーフィルタ。
2. 前記表面側フォトニック結晶層は、第１の周期的な屈折率変化を有する第１フォトニック結晶領域を含み、
   前記裏面側フォトニック結晶層は、前記第１の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第２フォトニック結晶領域を含み、
   前記第１フォトニック結晶領域と前記第２フォトニック結晶領域とが、前記半波長板を挟んで対応して配置されている、請求項１に記載のカラーフィルタ。
3. 前記表面側フォトニック結晶層は、前記第１の周期的な屈折率変化と異なる第２の周期的な屈折率変化を有する第３フォトニック結晶領域をさらに含み、
   前記裏面側フォトニック結晶層は、前記第２の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第４フォトニック結晶領域をさらに含み、
   前記第３フォトニック結晶領域と前記第４フォトニック結晶領域とが、前記半波長板を挟んで対応して配置されている、請求項２に記載のカラーフィルタ。
4. 前記表面側フォトニック結晶層は、前記第１の周期的な屈折率変化および前記第２の周期的な屈折率変化のいずれとも異なる第３の周期的な屈折率変化を有する第５フォトニック結晶領域をさらに含み、
   前記裏面側フォトニック結晶層は、前記第３の周期的な屈折率変化と実質的に同じ周期的な屈折率変化を有する第６フォトニック結晶領域をさらに含み、
   前記第５フォトニック結晶領域と前記第６フォトニック結晶領域とが、前記半波長板を挟んで対応して配置されている、請求項３に記載のカラーフィルタ。
5. 前記半波長板の前記表面上に配置された表面側透光基板と、
   前記半波長板の前記裏面上に配置された裏面側透光基板とをさらに備え、
   前記表面側フォトニック結晶層が、前記表面側透光基板の前記半波長板が位置する側の主面とは反対側の主面上に設けられ、
   前記裏面側フォトニック結晶層が、前記裏面側透光基板の前記半波長板が位置する側の主面とは反対側の主面上に設けられている、請求項１から４のいずれかに記載のカラーフィルタ。
6. 前記表面側フォトニック結晶層および前記裏面側フォトニック結晶層が、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体と、これら複数のブロック構造体の間に位置する空隙部とによって構成されている、請求項１から５のいずれかに記載のカラーフィルタ。
7. 前記表面側フォトニック結晶層および前記裏面側フォトニック結晶層が、二次元格子状に配列された複数のブロック構造体と、これら複数のブロック構造体の間を充填する透光部材とによって構成されている、請求項１から５のいずれかに記載のカラーフィルタ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタの前記表面側フォトニック結晶層に対向して配置された光スイッチング手段とを備えた、反射型表示装置。
9. 前記光スイッチング手段が、液晶層にて構成されている、請求項８に記載の反射型表示装置。
10. 前記光スイッチング手段が、ＭＥＭＳシャッタにて構成されている、請求項８に記載の反射型表示装置。

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