JP2004205973A - 平面表示素子及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可視光域の光を出射する光源を用いて平面表示素子を構成することにより、ＵＶ光耐性のない材料でも構成部材の材料として使用可能にした平面表示素子及びその駆動方法を提供し、以て、平面表示素子の設計自由度を向上させ、製造工程の簡略化を図る。
【解決手段】可視光域の波長成分を含む光を出射する光源と、光源からの光の透過率を電気機械動作により制御する２次元マトリクス状に配列された光変調素子３と、光変調素子３を含む光路前方に表示画素に対応して設けられ少なくとも波長変換機能を有する発色フィルタ５，６，７とを備えた。。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光体の励起光に可視光を用いた平面表示素子及びその駆動方法に関し、特に、素子材料の選択に裕度を持たせる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、薄型の平面表示装置として種々のものが提案されており、代表的なものには、例えば液晶の電気光学効果を利用した液晶表示素子、プラズマ表示装置、フィールドエミッションディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンス、無機エレクトロルミネッセンス等がある。
【０００３】
（１）液晶表示素子（ＬＣＤ）は、一対の導電性透明膜を形成した基板間に、基板と平行に、且つ両基板間で９０度ねじれた状態にするように配向したネマテック液晶を入れて封止し、これを直交した偏光板で挟んだ構造を有する。この液晶表示素子による表示は、導電性透明膜に電圧を印加することで液晶分子の長軸方向が基板に対して垂直に配向され、バックライトからの光の透過率が変化することを利用して行われる。良好な動画像対応性を持たせるには、ＴＦＴ（薄型トランジスタ）を用いたアクティブマトリクス液晶パネルが使用される。
【０００４】
（２）プラズマ表示装置（ＰＤＰ）は、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガスを封入した二枚のガラス板の間に、放電電極に相当する規則的に配列した直交方向の電極を多数配置し、それぞれの対向電極の交点部を単位画素とした構造を有する。このプラズマ表示装置による画像表示は、画像情報に基づき、ぞれぞれの交点部を特定する対向電極に、選択的に電圧を印加することにより、交点部を放電発光させ、発生する紫外線により蛍光体を励起発光させて行なわれる。
【０００５】
（３）フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）は、微小間隔を介して一対のパネルを対向配置し、これらパネルの周囲を封止する平板状の表示管としての構造を有する。表示面側のパネルの内側には、蛍光膜が設けられ、背面パネル上には個々の単位発光領域毎に電界放出陰極が配列される。代表的な電界放出陰極は、微小サイズのエミッタティブと称される錐状突起状の電界放出型マイクロカソードを有している。このＦＥＤによる表示は、エミッタティブを用いて電子を取り出し、これを蛍光体に加速照射することで、蛍光体を励起させて行なわれる。
【０００６】
（４）有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）は、発光材料として用いる有機材料を選択することにより容易に可視領域を全てカバーすることができ、近年、高輝度・高効率な材料が数多く開発され、盛んに研究が行われている。素子寿命も連続動作で１万時間を超え、カラーディスプレイとして実用化されてきている。
【０００７】
（５）無機エレクトロルミネッセンス（無機ＥＬ）は、電界による衝突励起を利用するもので、小型又は大型軽量のフラットディスプレイとして盛んに研究されている。例えば、黄橙色発光のマンガン添加硫化亜鉛からなる蛍光体薄膜を用いたモノクロ薄膜ＥＬディスプレイが既に実用化されている。
【０００８】
しかしながら、このような従来の平面表示素子にあっては、以下に述べる種々の問題があった。
（１）ＬＣＤでは、バックライトからの光を、偏光板、透明電極、カラーフィルタの多数層に透過させるため、光利用効率が低下する問題があった。また、高品位型には高コストのＴＦＴが必要とされ、且つ２枚の基板間に液晶を封入し、配向させなければならないことも相まって、大面積化が困難となる欠点があった。更に、配向した液晶分子に光を透過させるため、視野角度が狭くなる欠点があり、特に、中間色の視野角依存性を完全に補正することは困難であった。
【０００９】
（２）ＰＤＰでは、画素毎にプラズマを発生させるための隔壁形成により製造コストが嵩むと共に、大重量となる欠点があった。また、放電電極に相当する多数の電極を、単位画素毎に規則的に配列しなければならない。このため、高精細になると発光（放電）効率が低下し、また、真空紫外線励起による蛍光体の発光効率が低いために、高電力効率で高精細、高輝度の画像が得難いといった欠点があった。更に、駆動電圧が高く、駆動ＩＣが高価といった欠点もあった。
【００１０】
（３）ＦＥＤでは、放電を高効率且つ安定化させるために、パネル内を超高真空にする必要があり、プラズマ表示装置と同様に製造コストが高くなる欠点がある。また、電界放電した電子を加速して蛍光体へ照射するため、高電圧が必要となる不利もあった。
【００１１】
（４）有機ＥＬでは、アクティブマトリックスで１０インチ以上の大面積表示画面のものを製造するには、低温ポリシリコンＴＦＴが必要であり、その分、高コストでしかも表示均一性が芳しくなかった。
【００１２】
（５）無機ＥＬでは、発光効率が悪く、高コストであり、高電圧の駆動ＩＣが必要となり、性能不足である。また、硫化物蛍光体薄膜を用いた薄膜ＥＬディスプレイは、信頼性、耐環境性に優れているが、現在のところ、赤色、緑色、青色の３原色に発光するＥＬ用蛍光体の特性が充分でないため、フルカラー化には適していない。
【００１３】
そこで、上記既存のディスプレイ素子の欠点を解消するため、例えば特許文献１に記載のようなＰＬ−ＭＥＭＳ（Photo Luminescence−Micro Electro Mechanical System）方式の平面表示装置が提案され開発されている。この平面表示装置は、電気機械動作により可動薄膜を変位させることで光源からの光を光変調する光変調部と、この光変調部による変調光に励起される蛍光体とを対向配置した構成のものである。
【特許文献１】
特開平１１−２５８５５８号公報
【００１４】
また、この種の平面表示素子としては、例えば、下記の文献に記載されている導光板方式のものも知られている。
【非特許文献１】
Large-Area Micromechanical Display IDRC 1997, p230〜p233
【特許文献２】
米国特許第５，７７１，３２１号明細書
【特許文献３】
特表２０００−５０５９１１号公報
【００１５】
このような平面表示素子は、電気機械動作として電圧印加による圧電効果を利用したもの、電流印加による電磁気力を利用したもの等の種々の方式があるが、特に静電気を利用したものは、光変調のための可動薄膜の変位量が１μｍ程度であれば、低電圧・低消費電力で数μｓ以下の高速駆動が可能となる。
【００１６】
次に、上記の平面表示素子について、特許文献１に記載の構成を一例として図５０を参照しながら説明する。
平面表示素子９００は、光源９０１からの光が導入される導光板９０３と、導光板９０３上に設けた光変調部９０５と、光変調部９０５に対向配置されこの光変調部９０５からの出射光に励起される蛍光体９０７ａ，９０７ｂ，９０７ｃとを備え、また、光変調部９０５は、導光板９０３上に設けた透明な信号電極９０９と、この信号電極９０９に空隙９１１を挟んで対向する透明な可動薄膜９１３と、可動薄膜９１３に設けられ信号電極９０９に対向する走査電極９１５とを備えている。上記光源９０１としては、紫外線を発光する低圧水銀ランプ等が用いられる。
【００１７】
この平面表示素子９００では、信号電極９０３と走査電極９１５との間に駆動電圧が印加されると、電極間に発生する静電気力によって可動薄膜９１３が導光板９０３側に吸引されて撓む。この静電気力により可動薄膜９１３が撓む動作を、電気機械動作とよぶ。これにより、導光板９０３により全反射導光される光源９０１からの光が可動薄膜９１３によって取り出され、光路前方の蛍光体９０７ａ，９０７ｂ，９０７ｃに照射される。そして、光の照射された蛍光体９０７ａ，９０７ｂ，９０７ｃは、励起発光して所定の色を発光する。以上の動作により、所望のパターンの出力光が可動薄膜９１３の選択的な電気機械動作によって得られるようになる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような平面表示素子にあっては、蛍光体を効率良く励起発光させるといった事情から、エネルギーの高いＵＶ光を出射する光源を用いているので、平面表示素子の各構成部材に使用する材料としては、ＵＶ光耐性に優れるものに制限されるといった問題があった。このため、各構成部材の材料選定が大きく制限され、表面表示素子の設計自由度の向上や製造工程の簡略化が図りにくくなるといった不都合を生じている。
【００１９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、可視光域の光を出射する光源を用いて平面表示素子を構成することにより、ＵＶ光耐性のない材料でも構成部材の材料として使用可能にした平面表示素子及びその駆動方法を提供し、以て、平面表示素子の設計自由度を向上させ、製造工程の簡略化を図ることを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため本発明に係る請求項１記載の表面表示素子は、可視光域の波長成分を含む光を出射する光源と、前記光源からの光の透過率を電気機械動作により制御する２次元マトリクス状に配列された光変調素子と、前記光変調素子を含む光路前方に表示画素に対応して設けられ少なくとも波長変換機能を有するフィルタを含む発色フィルタとを具備することを特徴とする。
【００２１】
この平面表示素子では、可視光域の波長成分の光を使用して表示を行うため、平面表示素子を構成する各部材の材料を、特にＵＶ耐性に優れた材料とする必要がなくなり、平面表示素子の設計自由度を向上させ、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００２２】
請求項２記載の平面表示素子は、前記発色フィルタが、これに入射する光を吸収すると共に、前記入射する光の波長とは異なる波長の可視光を光路前方に出射する色変換フィルタであることを特徴とする。
【００２３】
この平面表示素子では、色変換フィルタが光源からの光を他の波長の光に変換して光路前方に出射することで、光源光の波長以外の波長成分の光を表示できるようになる。
【００２４】
請求項３記載の平面表示素子は、前記色変換フィルタが、少なくとも、前記入射する光を吸収して緑色光を励起発光する蛍光材料を有することを特徴とする。
【００２５】
この平面表示素子では、例えば光源光を青色とした場合に、青色から緑色に変換して発光表示することができる。
【００２６】
請求項４記載の平面表示素子は、前記色変換フィルタが、少なくとも、前記入射する光を吸収して赤色光を励起発光する蛍光材料を有することを特徴とする。
【００２７】
この平面表示素子では、例えば光源光を青色とした場合に、青色から赤色に変換して発光表示することができる。
【００２８】
請求項５記載の平面表示素子は、前記色変換フィルタが、少なくとも、前記入射する光を吸収して青色光を励起発光する蛍光材料を有することを特徴とする。
【００２９】
この平面表示素子では、光源光を青色に変換して発光表示することができる。また、光源光が青色である場合には、より色純度の高い青色に変換することができる。
【００３０】
請求項６記載の平面表示素子は、前記発色フィルタが、これに入射する光のうち、特定の色成分のみを透過させて光路前方に出射する色フィルタであることを特徴とする。
【００３１】
この平面表示素子では、色フィルタが特定の色成分のみ透過させることで、特定の色に発色させることができる。
【００３２】
請求項７記載の平面表示素子は、前記色フィルタが、少なくとも、前記入射される光に対して緑色成分のみを透過させることを特徴とする。
【００３３】
この平面表示素子では、光源光のうち緑色成分のみが透過され、緑色の表示を行うことができる。
【００３４】
請求項８記載の平面表示素子は、前記色フィルタが、少なくとも、前記入射される光に対して赤色成分のみを透過させることを特徴とする。
【００３５】
この平面表示素子では、光源光のうち赤成分のみが透過され、赤色の表示を行うことができる。
【００３６】
請求項９記載の平面表示素子は、前記色フィルタが、少なくとも、前記入射される光に対して青色成分のみを透過させることを特徴とする。
【００３７】
この平面表示素子では、光源光のうち青色成分のみが透過され、青色の表示を行うことができる。
【００３８】
請求項１０記載の平面表示素子は、前記色フィルタが、光拡散機能を有することを特徴とする。
【００３９】
この平面表示素子では、特に光源光が青色である場合に、光源光の方向性をなくすことができ、方向依存性のない均一な表示を行うことができる。
【００４０】
請求項１１記載の平面表示素子は、前記発色フィルタが、前記光変調素子から離間して配置されたことを特徴とする。
【００４１】
この平面表示素子では、発色フィルタが光変調素子から離間して配置されることで、それぞれを独立して製造することができ、製造工程の簡略化が図られる。
【００４２】
請求項１２記載の平面表示素子は、前記色変換フィルタと前記光変調素子との間に、前記光源からの入射光の少なくとも一部を透過し、前記色変換フィルタの励起発光光を反射する反射膜を備えたことを特徴とする。
【００４３】
この平面表示素子では、光源光が反射膜を透過して色変換フィルタを励起発光させ、この励起発光した光が反射膜により光路前方に向けられる。これにより、光利用効率が向上して発光輝度を増大できる。
【００４４】
請求項１３記載の平面表示素子は、前記発色フィルタの光路前方に、外部光を減衰させる外部光減衰フィルタを備えたことを特徴とする。
【００４５】
この平面表示素子では、外部光が平面表示素子に照射された場合でも、表示光が観察しやくすくなり、画像表示品質が向上する。
【００４６】
請求項１４記載の平面表示素子は、前記外部光減衰フィルタが、ＮＤフィルタ又は偏光フィルタであることを特徴とする。
【００４７】
この平面表示素子では、ＮＤフィルタを用いることで色変化を伴うことなく外部光の写り込みが低減され、また、偏光フィルタを用いることで、特定の偏光方向の光が吸収されて写り込みが防止される。
【００４８】
請求項１５記載の平面表示素子は、前記光源から出射する光が、少なくとも４００ｎｍ〜５２０ｎｍの波長域内に主波長を有する可視光であることを特徴とする。
【００４９】
この平面表示素子では、４００ｎｍ〜５２０ｎｍの可視光域の光を用いることで、特にＵＶ光を用いる場合と比較すると、平面表示素子の各構成部材に耐ＵＶ特性を持たせる必要がなくなり、材料選定の自由度が向上される。
【００５０】
請求項１６記載の平面表示素子は、前記光源から出射する光が、少なくとも青色光を含むことを特徴とする。
【００５１】
この平面表示素子では、可視光の中でもエネルギの高い青色光を用いることで、他の色、例えば緑色や赤色への変換が高効率で行える。
【００５２】
請求項１７記載の平面表示素子は、前記光源が、蛍光ランプ、ＬＥＤ、レーザ、有機ＥＬ、薄膜無機ＥＬ、ＦＥＤのいずれかであることを特徴とする。
【００５３】
この平面表示素子では、蛍光ランプ、ＬＥＤ、レーザ、有機ＥＬ、薄膜無機ＥＬ、ＦＥＤのいずれかを用いて光源光を得ることができる。
【００５４】
請求項１８記載の平面表示素子は、前記光変調素子が、静電気を利用して可動薄膜を電気機械動作させることで光透過率を制御することを特徴とする。
【００５５】
この平面表示素子では、静電気力を利用して可動薄膜を動作させる光変調素子を用いるため、低電圧・低消費電力で且つ高速駆動を容易に実現することができる。
【００５６】
請求項１９記載の平面表示素子は、前記発色フィルタが、前記可動薄膜に接して、又は可動薄膜内に設けられていることを特徴とする。
【００５７】
この平面表示素子では、発色フィルタが可動薄膜に接するか、可動薄膜内に設けることで、平面表示素子の構成を簡略化でき、一層の薄型化が図られる。
【００５８】
請求項２０記載の平面表示素子は、導入した入射光の少なくとも一部が層の界面で全反射する一方、光路前方には前記入射光が実質的に出射しない特性を有する全反射光学部材と、前記全反射光学部材の全反射面側に配設すると共に前記全反射面から入射光を選択的に結合させて取り出す光結合要素とを備え、前記光変調素子が、前記可動薄膜の変位により前記光結合要素を移動させて、近接光の透過と全反射による遮光とによって光透過率を制御することを特徴とする。
【００５９】
この平面表示素子では、導入された入射光が全反射光学部材に照射されて、全反射光学部材内に導入されると、その導入された入射光の少なくとも一部が光変調素子の構成する層の界面で全反射する一方、入射光導入側の反対側からは入射光が実質的に出射されなくなる。この全反射光学部材の全反射面に入射光を結合させて取り出す光結合要素を選択的に近接配置することにより、近接配置された光結合要素に全反射光が取り出されて入射光光路前方に出射される。
【００６０】
請求項２１記載の平面表示素子は、前記光源が平面光源であり、全反射光学部材へ平面状の光を入射することを特徴とする。
【００６１】
この平面表示素子では、面状の入射光を高効率で光変調素子に導入でき、光結合要素の近接配置状態に応じた選択的な光変調が行える。
【００６２】
請求項２２記載の平面表示素子は、前記全反射光学部材が、該全反射光学部材内に光路を変化させる光路変換膜が配置され、前記全反射光学部材に導入された面状の入射光の少なくとも一部が光路変換膜に導入され、この導入された入射光の実質的全てが前記全反射光学部材の構成する層の界面で全反射により反射されることを特徴とする。
【００６３】
この平面表示素子では、光変調素子内に入射光の光路を変化させる光路変換膜が配置され、この光路変換膜へ面状に入射光を導入する。導入された面状の入射光は、光路変換膜によって入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、その実質的全てが光変調素子の構成する層の界面で全反射により反射される。このため、入射光の形状、導入位置、並びに光源の種類に制限を受けることなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入でき、所望の界面で面状の全反射光を高効率で得ることができる。
【００６４】
請求項２３記載の平面表示素子は、前記全反射光学部材が、該全反射光学部材内に光路を選択する光路選択膜が配置され、前記全反射光学部材に導入された面状の入射光の少なくとも一部が光路選択膜に導入され、この導入された入射光の実質的全てが前記全反射光学部材の構成する層の界面で全反射により反射されることを特徴とする。
【００６５】
この平面表示素子では、光変調素子内に入射光の光路を選択する光路選択膜が配置され、この光路選択膜へ面状に入射光を導入する。導入された面状の入射光は、光路選択膜によって特定の方向成分の光のみが取り出され、他の方向成分の光はその実質的全てが光路選択膜の界面で反射される。これにより、光変調素子に導入された光の実質的全てが光変調素子の構成する層の界面で全反射により反射される。このため、入射光の形状、導入位置、並びに光源の種類に制限を受けることなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入でき、所望の界面で面状の全反射光を高効率で得ることができる。
【００６６】
請求項２４記載の平面表示素子は、前記全反射光学部材が、該全反射光学部材の厚さ方向の入射光導入側から、光路を変化させる光路変換膜と、光路を選択する光路選択膜とがこの順で配置され、前記光路変換膜へ面状に入射光を導入した際に、導入された入射光の少なくとも一部が光路選択膜に導入され、この導入された入射光の実質的全てが前記光変調素子の構成する層の界面で全反射により反射されることを特徴とする。
【００６７】
この平面表示素子では、光変調素子の厚さ方向の入射光導入側から、光路を変化させる光路変換膜と、光路を選択する光路選択膜とがこの順で配置され、光路変換膜へ面状に入射光を導入する。導入された入射光は、光路変換膜によって入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、さらに光路選択膜によって特定の方向の入射光のみを透過させる。これにより、光変調素子に導入された光の実質的全てが光変調素子の構成する層の界面で全反射により反射される。このため、入射光の形状、導入位置、並びに光源の種類に制限を受けることなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入でき、所望の界面で面状の全反射光を高効率で得ることができる。
【００６８】
請求項２５記載の平面表示素子は、前記光路変換膜と前記光路選択膜とが、光学的に接触していることを特徴とする。
【００６９】
この平面表示素子では、光路変換膜と、光路選択膜とが光学的に接触していることにより、双方の光のカップリング性を良好にできると共に、光路変換膜が方向性を有する場合に、入射光を光路変換膜から入射角度成分を保持させたまま光路選択膜に導入することができる。
【００７０】
請求項２６記載の平面表示素子は、前記光路変換膜と前記光路選択膜とが、屈折率が１より大きい媒質を介して光学的に接触していることを特徴とする。
【００７１】
この平面表示素子では、光路変換膜と、光路選択膜とが屈折率が１より大きい媒質を介して光学的に接触することにより、この媒質との界面で全反射を生じさせることなく、光路変換膜から光路選択膜へ入射光を導入できる。
【００７２】
請求項２７記載の平面表示素子は、全反射光学部材の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路変換膜を配置したことを特徴とする。
【００７３】
この平面表示素子では、入射光が透明媒質を透過した後に光路変換膜に導入されて、特定の方向の入射光のみ透過される。
【００７４】
請求項２８記載の平面表示素子は、全反射光学部材の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路選択膜を配置したことを特徴とする。
【００７５】
この平面表示素子では、入射光が透明媒質を透過した後に光路選択膜に導入されて、特定の方向の入射光のみ透過される。
【００７６】
請求項２９記載の平面表示素子は、全反射光学部材の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路変換膜と前記光路選択膜をこの順で配置したことを特徴とする。
【００７７】
この平面表示素子では、入射光が透明媒質を透過した後に光路変換膜に導入され、入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、さらに、光路選択膜に導入され、特定の方向の入射光のみ透過される。
【００７８】
請求項３０記載の平面表示素子は、前記光路変換膜が、該光路変換膜の平均屈折率をｎｔ、光路前方の全反射界面の前方側媒質の屈折率をｎｗ、光路変換膜の媒質内を進む光の角度をθｔとしたときに、少なくとも、ｓｉｎθｔ＞ｎｗ／ｎｔの条件を満たす角度θｔの光を含んで前方に出力することを特徴とする。
【００７９】
この平面表示素子では、少なくとも、ｓｉｎθｔ＞ｎｗ／ｎｔの条件を満たす角度θｔの光が光路変換膜透過して、光路を変化させつつ前方に出力される。
【００８０】
請求項３１記載の平面表示素子は、前記光路変換膜が、屈折により光路を変化させるものであることを特徴とする。
【００８１】
この平面表示素子では、光路変換膜が、入射光の光路を屈折により変化させることにより、入射光の強度を実質的に低下させることなく光変調素子へ導入できる。
【００８２】
請求項３２記載の平面表示素子は、前記光路変換膜が、レンズアレイ、プリズムアレイ、異なる屈折率が分布した異種屈折率分布体のいずれかであることを特徴とする。
【００８３】
この平面表示素子では、量産に適したレンズアレイ、プリズムアレイ、異種屈折率分布体による光学要素を適宜選定することにより、コストダウンを図りつつ良好な性能を発揮することができる。
【００８４】
請求項３３記載の平面表示素子は、前記光路変換膜が、回折により光路を変化させるものであることを特徴とする。
【００８５】
この平面表示素子では、光路変換膜が、入射光の光路を例えば透過型回折格子による回折によって変化させることにより、高精度な入射角度で入射光を光変調素子へ導入できる。
【００８６】
請求項３４記載の平面表示素子は、前記光路変換膜が、体積ホログラム、位相変調型回折格子、振幅変調型回折格子のいずれかであることを特徴とする。
【００８７】
この平面表示素子では、例えばフォトポリマー法や射出成形法によって大量転写生産が可能となり、平面表示素子自体のコストダウンが図れる。
【００８８】
請求項３５記載の平面表示素子は、前記光路変換膜が、光拡散により光路を変化させるものであることを特徴とする。
【００８９】
この平面表示素子では、光路変換膜が、光拡散により光路を変化させることで、入射光を任意の方向から光変調素子へ入射させることができる。
【００９０】
請求項３６記載の平面表示素子は、前記光路変換膜が、多孔質体、異種屈折率分布体又は分散体、表面に凹凸を有する拡散体又は散乱体のいずれかであることを特徴とする。
【００９１】
この平面表示素子では、量産に適した多孔質体、異種屈折率分布体又は分散体、拡散体による光学要素を適宜選定することにより、コストダウンを図りつつ良好な性能を発揮することができる。
【００９２】
請求項３７記載の平面表示素子は、前記光路変換膜が、光反射により光路を変化させるものであることを特徴とする。
【００９３】
この平面表示素子では、光路変換膜が、光反射によって光路を変化させることで、入射光を任意の方向から光変調素子へ入射させることができる。
【００９４】
請求項３８記載の平面表示素子は、前記光路選択膜が、該光路選択膜から出射される透過光の実質的全てが、前記光路選択膜より入射光光路前方の層の界面又は前記光路選択膜の入射光光路前方の界面における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は選択的に反射されて透過されない性質を有することを特徴とする。
【００９５】
この平面表示素子では、光路選択膜は、この光学要素から出射される透過光の実質的全てが、光路選択膜より入射光光路前方の層の界面又は光路選択膜の入射光光路前方の界面における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は、光路選択膜により選択的に反射される。従って、光路選択膜からは、入射光光路前方の界面において全反射する入射角成分の入射光だけが選択的に透過して、全反射されない入射角成分の入射光は透過されないことになる。
【００９６】
請求項３９記載の平面表示素子は、前記光路選択膜が、該光路選択膜の平均屈折率をｎｓ、光路前方の全反射界面の前方側媒質の屈折率をｎｗ、光路選択膜の媒質内を進む光の角度をθｓとしたときに、ｓｉｎθｓ＞ｎｗ／ｎｓの条件を満たす角度θｓの光を実質的全て透過させることを特徴とする。
【００９７】
この平面表示素子では、ｓｉｎθｓ＞ｎｗ／ｎｓの条件を満たす角度θｓの光が光路選択膜を実質的全て透過して、他の光は反射されることにより、特定の光成分のみ選択的に透過される。
【００９８】
請求項４０記載の平面表示素子は、前記光路選択膜が、入射光の波長域に対して選択的に反射する機能を有し、前記光路選択膜への入射光の入射角が該光路選択膜の面に対して浅い角度となるに従って、選択的に反射される入射光の波長が短波長側にシフトすることを特徴とする。
【００９９】
この平面表示素子では、光路選択膜が、入射光の波長域に対して選択的に反射する機能を有し、この光学要素への入射光の入射角が該光学要素の面に対して浅い角度となるに従って、選択的に反射される入射光の波長が短波長側にシフトする。この性質を利用して、所定の入射角成分の入射光だけが透過するように光路選択膜を設計し、全反射の生じる入射角度成分の入射光だけを選択的に抽出することを可能にできる。
【０１００】
請求項４１記載の平面表示素子は、前記光路選択膜への入射光の入射角が、入射光光路前方の全反射界面への入射角を全反射臨界角以下にするときに、前記光路選択膜が前記入射光の実質的全てを選択的に反射することを特徴とする。
【０１０１】
この平面表示素子では、光路選択膜への入射光の入射角が、この入射角と各層の屈折条件により変化する入射光光路前方の全反射界面への入射角をこの全反射界面における全反射臨界角以下にするときに、光路選択膜が入射光の実質的全てを選択的に反射する。これにより、全反射界面において全反射されない角度成分の入射光が選択的に反射されて光路前方に透過されなくなる。
【０１０２】
請求項４２記載の平面表示素子は、前記光路選択膜が、誘電体多層膜を含む光干渉フィルタであることを特徴とする。
【０１０３】
この平面表示素子では、誘電体多層膜を含む光干渉フィルタを用いることにより、大面積かつ簡単な構成で任意の波長選択反射膜が形成でき、その反射波長の入射角依存性を利用して容易に光路選択膜を形成することができる。
【０１０４】
請求項４３記載の平面表示素子は、前記光路選択膜が、コレステリック液晶、体積ホログラムを含むブラッグ反射フィルタであることを特徴とする。
【０１０５】
この平面表示素子では、コレステリック液晶、体積ホログラムを含むブラッグ反射フィルタを用いることにより、低コストで光路選択膜を形成できる。
【０１０６】
請求項４４記載の平面表示素子は、前記全反射された入射光の実質的全てが前記全反射光学部材の入射光導入側に戻ることを特徴とする。
【０１０７】
この平面表示素子では、全反射された入射光の実質的全てが光変調素子の入射光導入側に戻ることにより、全反射面を有する媒質内において、導光、蓄積、閉じ込め等が行われることが実質的にない。
【０１０８】
請求項４５記載の平面表示素子は、前記全反射光学部材の前記光変調素子とは反対側の表面に有機ＥＬ光源を一体に形成したことを特徴とする。
【０１０９】
この平面表示素子では、有機ＥＬ光源による光が直接的に光変調素子に入射され、平面表示素子の構成を簡略化できる。
【０１１０】
請求項４６記載の平面表示素子は、前記光源が点又は線光源であり、全反射光学部材の一方の端部から線状の光を導入して全反射導光させることを特徴とする。
【０１１１】
この平面表示素子では、全反射導光により入射光を導入することで、平面表示素子の薄型化が図られる。
【０１１２】
請求項４７記載の平面表示素子は、前記全反射光学部材を構成する層が、前記入射光の波長域に対して吸収が実質的にないことを特徴とする。
【０１１３】
この平面表示素子では、全反射光学部材を構成する層が入射光の波長域に対して実質的に吸収されないため、入射光及び全反射された入射光の損失を抑えて高効率化を図ることができる。
【０１１４】
請求項４８記載の平面表示素子は、前記光変調素子が、前記可動薄膜の変位により光路開口面積を変化させて光透過率を制御するものであることを特徴とする。
【０１１５】
この平面表示素子では、可動薄膜の変位により光路開口面積を変化させることで、容易に光透過率を制御することができる。
【０１１６】
請求項４９記載の平面表示素子は、前記光変調素子が、前記可動薄膜の変位により、前記可動薄膜に設けた干渉膜と、固定側に設けた干渉膜との間隔を変化させて、光透過率を制御するものであることを特徴とする。
【０１１７】
この平面表示素子では、干渉膜間でファブリペロー干渉による光変調が行われ、特定波長の光のみが選択的に透過・反射される。
【０１１８】
請求項５０記載の平面表示素子の駆動方法は、請求項１〜請求項４９のいずれか１項記載の平面表示素子を駆動する平面表示素子の駆動方法であって、２次元マトリクス状に配列された光変調素子に対し、行方向に沿って複数配設された走査信号電極と、該走査信号電極に直交して複数配設された画像信号電極とが具備され、走査された走査信号電極に接続された光変調素子へ、前記画像信号電極から信号電圧を直接印加する単純マトリクス駆動方式により表示のための駆動を行うことを特徴とする。
【０１１９】
この平面表示素子の駆動方法では、平面表示素子が単純マトリクス駆動により表示駆動され、低コストな簡単な構成で画像表示が行える。
【０１２０】
請求項５１記載の平面表示素子の駆動方法は、請求項１〜請求項４９のいずれか１項記載の平面表示素子を駆動する平面表示素子の駆動方法であって、２次元マトリクス状に配列された光変調素子に対し、行方向に沿って複数配設された走査信号電極と、該走査信号電極に直交して複数配設された画像信号電極と、走査信号共通電極とが具備され、走査された走査信号電極に接続された光変調素子に対し、アクティブ素子を介して画像信号電極から信号電圧を印加するアクティブマトリクス駆動方式により表示のための駆動を行うことを特徴とする。
【０１２１】
この平面表示素子の駆動方法では、平面表示素子がアクティブマトリクス駆動により表示駆動され、高コントラストで高速応答可能な表示が行える。
【０１２２】
請求項５２記載の平面表示素子の駆動方法は、前記アクティブ素子として、半導体スイッチを用いることを特徴とする。
【０１２３】
この平面表示素子の駆動方法では、半導体スイッチにより各光変調素子をアクティブ駆動することができる。
【０１２４】
請求項５３記載の平面表示素子の駆動方法は、前記アクティブ素子として、静電気力によって可動薄膜を変位させる機械的導電スイッチを用いることを特徴とする。
【０１２５】
この平面表示素子の駆動方法では、機械的導電スイッチを用いてスイッチング動作させることで、半導体形成独自の成膜や不純物ドーピング工程が不要となり、パターンニング工程が少なくなると共に、設計条件が緩やかになり、スループットや歩留りが向上し、低コストでの大面積化が可能となる。また、高精細・大面積化においても高速応答が期待できる。
【０１２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る平面表示素子及びその駆動方法の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明に係る平面表示素子の原理を説明する。
図１に本発明に係る平面表示素子１の概略的な基本構成を示した。この平面表示素子１は、主に、青色を含む可視光である励起光が導入される透明基板２と、透明基板２上に形成した光変調素子３と、支柱４を介して透明基板２と平行に配置されると共に光変調素子３に対向して発色フィルタとしての、青色フィルタ５、緑色変換フィルタ６，赤色変換フィルタ７が配置された透明な前面板８とを備えて構成される。なお、各フィルタ５，６，７同士の間には、遮光性を有するブラックマトリクス９がそれぞれ形成されている。この場合のブラックマトリクス９は、カーボン分散樹脂、クロム等の金属で形成できる。
【０１２７】
青色フィルタ５は、青色に発色させるフィルタであり、励起光に対して青色を含む色に発光する材料或いは光拡散機能を有する材料からなる。また、緑色変換フィルタ６は、青色から緑色に変換するフィルタであり、励起光に対して緑を含む色に発光する材料或いは緑色を透過させる材料からなる。また、赤色変換フィルタ７は、青色から赤色に変換するフィルタであり、励起光に対して赤を含む色に発光する材料或いは赤色を透過させる材料からなる。これら各材料についての詳細は後述することにする。この平面表示素子１は、上記構成によって赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂの三色を任意のパターンで発光できるようになっている。なお、単色でのみ表示させる場合には、青色の拡散光のみ出射する構成としたり、緑色変換フィルタ６や赤色変換フィルタ７等の単色の色変換フィルタのみ用いる構成とする。
【０１２８】
上記構成によれば、青色を含む励起光が透明基板に２に導入され、光変調素子３が光透過状態になったとき、透明基板２からの励起光が青色フィルタ５、緑色変換フィルタ６、赤色変換フィルタ７へ選択的に照射される。そして、青色フィルタ５では、入射された青色光を拡散させて光路前方に出射する。緑色変換フィルタ６では、入射された青色光を受けて緑色に励起発光して光路前方に緑色光を出射する。赤色変換フィルタ７では、入射された青色光を受けて赤色に励起発光して光路前方に赤色光を出射する。このように、光変調素子３を表示画像に合わせてオンオフ変調することことで、任意のパターンで青色光、緑色光、赤色光を出射させ、所望のカラー画像を表示させることができる。
【０１２９】
上記緑色変換フィルタ６、赤色変換フィルタ７は、短波長の光（例えば青色光）を吸収して長波長の光（例えば緑色や赤色）を放出する蛍光材料を有している。緑色変換フィルタ６の蛍光物質（色素）の具体的材料としては、例えば、２，３，５，６−１Ｈ、４Ｈ−テトラヒドロ−８−トリフルオロメチルキノリジノ（９，９ｓ１−ｇｈ）クマリン、３−（２’ベンゾイミダゾイル）−７−Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノクマリン等のクマリン色素、他クマリン色素系染料であるベーシックイエロー５Ｉ等を用いることが可能である。
【０１３０】
また、赤色変換フィルタ７の蛍光物質（色素）の具体的な材料としては、例えば、４−ジシアノメチレン−２−メチル−６−（Ｐ−ジメチルアミノスチルリン）−４Ｈ−ビラン等のシアニン系色素、１−エチル−２−（４−（ｐ−ジメチルアミノフェニル）−１，３−ブタジエニエル）−ビリジウム−パーコラレイト等のビリジン系色素、ローダミンＢ、ローダミン６Ｇ等のキサンチン系色素、オキサジン系色素等を用いることが可能である。
【０１３１】
青色フィルタ５は、青色を透過させる機能を有する色フィルタであって、本実施形態では、励起光に青色の光を用いているので、光の指向性を無くすために拡散機能を持たせている。具体的には、透明基板の表面に凹凸を設けた構成にしたり、例えばシリカ、チタニア、ガラス、有機微粒子やタルク等の添加物を基材に共存させることで形成している。また、この青色フィルタ５には、例えば励起光として青色よりも短波長の紫色から近紫外の光を用いる場合には、次のような蛍光物質（色素）が利用できる。例えば１，４−ビス（２−メチルスチリン）ベンゼン、トランス−４，４’−ジフェニルスチルベン等のスチルベン系色素、７−ヒドロキシ−４−メチルクマリン等のクマリン系色素等を用いることが可能である。
【０１３２】
また、これらの蛍光物質を塗布させる基材としては、例えば、ガラス板、樹脂板、樹脂膜等が可能である。樹脂板や樹脂膜に使用する樹脂としては、例えばポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリビニルビロリドン、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等の透明樹脂（高分子）等を用いることが可能である。
【０１３３】
さらに、本発明における色変換フィルタに含有される蛍光物質は、１種類であってもよいが、複数種類の蛍光物質を混合して用いてもよい。この場合には、フルカラーディスプレイを作製するに好適な、色純度の高い青、緑、赤色発光体が得られる。青色光を用いて赤色を発光させるときには大きな波長変化を呈する蛍光物質が必要になるが、現実にはそのような蛍光物質の数は多くない。そこで、赤色の発光を行うときに青色の光を吸収して緑色に発光する蛍光物質と、緑色の光を吸収して赤色に発光する蛍光物質とを共存させると、二段階で青色光が赤色光に変換される。
【０１３４】
この方法では、緑色や赤色発光において色純度を上げたり発光効率を向上させることを目的に第二の蛍光体を添加することができる。ただし、蛍光体の種類は２種類に限らず、色の調整やより発光効率を向上させるために、３種類以上の蛍光体を任意の割合で混合することも可能である。蛍光体は、そのまま使用することもできるし、蛍光体を練り込んだ微粒子や表面に蛍光体をコーティングした微粒子をそのまま、又はバインダー樹脂に混合して用いてもよい。更に、蛍光物質には蛍光体やバインダーの他にもその機能を発揮するために添加物を加えることもできる。例えば、励起光を効率よく蛍光物質に吸収させるための光散乱用として、シリカ、チタニア、ガラス、有機微粒子やタルクなどを共存させることができる。また蛍光物質が発する光の色を調整するために特定の波長の光を吸収できる顔料や染料等の化合物を混合してよい。
上記の蛍光物質は、蛍光材料をインク基材に練り込んだインクを使用する印刷法や、フォトリソグラフィ法を利用した塗膜法等の公知の技術を利用して形成できる。
【０１３５】
また、上記緑色フィルタを、入射される光に対して緑色成分のみを透過させる色フィルタとしてもよく、赤色フィルタを、入射される光に対して赤色成分のみを透過させる色フィルタとして構成してもよい。この場合には、光源として白色光が用いられる。
【０１３６】
なお、透明基板２への励起光の導入は、図示のような透明基板２の裏側から光を導入する方式と、透明基板２の側方から光を導入して伝播させる方式とが適用可能である。また、光変調素子３は、例えば、ファブリペロー干渉計として知られる多重反射による干渉を利用して光変調を行う干渉タイプ、メカニカルなシャッタの開閉動作を利用して光変調を行う遮光（シャッタ）タイプ、全反射を利用する全反射タイプの少なくとも３種類のものが適用できる。
【０１３７】
次に、上記原理を用いた本発明の平面表示素子の各実施形態を順次具体的に説明する。
［第１実施形態］
最初に、本発明に係る平面表示素子の第１実施形態について説明する。
図２に本実施形態に係る平面表示素子の概念的な構成を示した。なお、図１に示す部材と同一の機能を有する部材に対しては、同一の符号を付与することで、以降はその説明を省略するものとする。
この平面表示素子１００は、青色に点灯する蛍光ランプ１０ａと拡散板１０ｂとを有する平面光源１０と、光源から入射される光の光路を変化させる光路変換膜１３、及び入射された入射光のうち、特定の入射光路の光のみを選択的に透過させる光路選択膜１５とをこの順で光路上に配設されるよう積層した透明基板２と、透明基板２上に形成した可動薄膜（光結合要素）を有する光変調素子３と、青色フィルタ５、緑色変換フィルタ６、赤色変換フィルタ７、及びこれらの間のブラックマトリクス９が形成された前面板８とを具備している。上記光路変換膜１３、光路選択膜１５、透明基板２は、全反射光学部材１７を構成している。
【０１３８】
まず、平面光源１０を説明する。
平面光源１０は、全反射光学部材１７に面状の入射光を照射するものであり、入射光としては、コリメート光又は拡散光のいずれでも使用できる。また、全反射光学部材１７の外部から入射光を導入する他にも、全反射光学部材１７の内部に光源を有して発光させる構成としてもよい。特に、本発明の平面表示素子１００の入射光としては、主波長が４００ｎｍ〜５２０ｎｍの光が使用可能であって、具体的には、青色光を含む可視光を使用している。また、平面光源１０からの入射光として、波長が４００ｎｍ〜５２０ｎｍの光を含むブロードな波長分布特性を有した光（白色光等）を用い、光路の途中に波長４００ｎｍ〜５２０ｎｍの波長成分のみ透過させる或いは発光させる光学素子を設けた構成としてもよい。
【０１３９】
平面光源１０からの入射光がコリメート光である場合は、特定の入射角度成分の入射光を全反射光学部材１７に供給することで光利用効率を向上できる一方、拡散光の場合は、任意の低コストな平面光源が使用できる。また、全反射光学部材１７の内部に光源を有する場合は、光源からの光が直接的に全反射光学部材１７内へ導入されるため光の導入効率が向上し、光学素子と光源が一体形成できるため小型薄型化が図られる。一方、外部に光源を有する場合は、平面表示素子１００の設計自由度が向上し、大型で任意の外部平面光源をも利用することができ、高出力化が容易に行える。
【０１４０】
本実施形態の平面光源１０は、可視光領域の光のうちエネルギの高い短波長の光、特に青色を出射する蛍光ランプ１０ａと、この蛍光ランプ１０ａにより出射される光を拡散させる拡散板１０ｂとを備えており、この拡散板１０ｂによって蛍光ランプ１０ａからの光を全反射光学部材１７に向けて均一に拡散させている。平面光源１０の発光体としては、不活性ガスや水銀蒸気を封入した電子管である蛍光灯の他にも、例えば水銀灯、ネオン管灯、クルックス管等が利用できる。また、そのまま利用できる放電ランプ、コリメート光が容易に得られるレーザ光源、安価で波長域の定まったＬＥＤ、面状光が得られる無機又は有機ＥＬ、白色光を発して目的に応じてフィルタリングすることで任意の波長成分が取り出せる白熱ランプ、表示素子へ導入する面状光が直接的に得られるＣＲＴ等の陰極線ランプや、同じく平面状の表示管であって面状光が直接的に得られるＦＥＤ等が使用できる。上記平面光源１０には、直接面状光が得られるもの以外では、例えば、複数の点光源や線光源を集結させることで面状光を形成したり、１本又は複数本の光ビームを偏向走査させることで面状光を形成するようにしてもよい。
【０１４１】
次に、全反射光学部材１７を説明する。
全反射光学部材１７は、図３に示すように、平面光源１０から面状の入射光を導入したときに、この導入した入射光が全反射光学部材１７の光路前方の面１９（以下、全反射面と称する）で全反射されるように形成されている。そして、全反射光学部材１７に光変調素子３の光結合要素２１が近接配置された領域では、全反射面１９における入射光の全反射条件が崩れ、入射光が光結合要素２１に取り出され、入射光が全反射面１９から光結合要素２１を通して出射される。
一方、全反射光学部材１７の全反射面１９において光結合要素２１が近接していない領域では、全反射光学部材１７に導入される入射光が全反射され、実質的にこの全反射光学部材１７の全反射面１９を透過して光路前方に出射することはない。
【０１４２】
上記光結合要素２１は、全反射光学部材１７の全反射面１９に接触する位置に移動可能に設けられるが、全反射面１９に完全に接触させなくても十分に近接させるだけでもよい。この場合の近接距離はλ／１０（λは波長）程度以下とすることで、接触時と同様な近接場光結合を生じさせることができる。
従って、上記平面表示素子１００によれば、平面光源１０から面状の光を全反射光学部材１７に導入し、光結合要素２１を全反射光学部材１７の全反射面１９に選択的に近接させることで、この近接させた光結合要素２１から光を光路前方に出射させ、所望の表示を行うことができる。
【０１４３】
以下に、平面表示素子１００の全反射光学部材１７の各構成要素について詳細に説明する。
図４に全反射光学部材１７の具体的な一構成例を示した。全反射光学部材１７は、入射光の導入側から、光路を変換する光路変換膜１３、光路を選択する光路選択膜１５、透明基板２の順で積層された多層構造体となっている。この全反射光学部材１７の透明基板２の光路前方には透明媒質２７（本実施形態では空気）が存在し、透明基板２の屈折率ｎ１（第１の屈折率）と透明媒質２７の屈折率ｎ２（第２の屈折率）との関係は、透明基板２と透明媒質２７との界面となる全反射面１９における全反射条件を満足するように設定されている。例えば透明基板２がガラス基板の場合は屈折率ｎ１＝１．５で、透明媒質２７が空気の場合は屈折率ｎ２＝１．０となる。なお、全反射光学部材１７を構成する各層は、入射光の波長域に対して実質的に吸収されることがなく、入射光及び全反射面１９で全反射された入射光の損失を抑止して高効率な光学部材を構成している。
【０１４４】
光路変換膜１３は、屈折、回折、光拡散、光反射等を利用して光路を変化させる光学要素であり、一例として次の種類の光学要素を使用できる。屈折を利用する場合は、レンズアレイ、プリズムアレイ、屈折率分散体等が用いられ、入射光の強度が実質的に低下しない。回折を利用する場合は、図５に示す透過型の回折格子が用いられ、体積ホログラム（図５（ａ）参照）、レリーフ型回折格子（図５（ｂ）参照）や屈折率変調型回折格子（図５（ｃ）参照）等の位相変調型回折格子、振幅変調型回折格子等が用いられ、高精度に入射光光路の角度を設定できる。各光学要素は、例えばフォトポリマー法や射出成形法によって大量転写生産が可能である。
【０１４５】
また、光拡散を利用する場合は、図６に示す光拡散板が用いられ、多孔質体（図６（ａ）参照）、異なる屈折率を有する物質２０が分布・分散した異種屈折率分布体・分散体（図６（ｂ）参照）、表面が凹凸に形成された光拡散体又は散乱体（図６（ｃ）参照）等が用いられる。さらに、光反射を利用する場合は、任意の方向に反射する微小反射体の分散体等が用いられる。いずれの光学要素も量産に適しており、容易にコストダウンが可能である。
【０１４６】
光路選択膜１５は、この光路選択膜１５から出射される選択透過光の実質的全てが、入射光光路前方の層における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は選択的に反射されて透過されないものである。即ち、透明基板２と透明媒質２７との界面で全反射を生じさせる条件である全反射臨界角θ_Cより大きい角度成分の入射光だけが光路選択膜１５を透過し、他の角度成分の入射光に対しては遮光される。なお、全反射臨界角θ_Cは（１）式により求められる。
θ_C＝sin^-1（ｎ２／ｎ１） （１）
【０１４７】
具体的な光路選択膜１５の一構成例としては、誘電体多層膜からなる光干渉フィルタが挙げられる。この光干渉フィルタの層構成を図７に示した。
光干渉フィルタは、高屈折率材料と低屈折率材料を順次積層して構成された誘電体多層膜であって、その光学特性としては、詳細は後述するが、入射光をその波長によって選択的に反射する機能を有し、入射角に応じて選択反射する波長が短波長側にシフトする特性を有する。いま、入射光の波長域をλ_iS〜λ_iL（λ_iS＜λ_iL）としたとき、光路選択膜１５から出射される選択透過光の出射角が全反射臨界角θ_C以下の角度成分の光に対しては、波長域λ_iS〜λ_iLの入射光の実質的全てを選択的に反射する。
【０１４８】
この構成によれば、大面積かつ簡単な構成で任意の波長選択が可能な反射膜が形成でき、その反射波長の入射角依存性を利用して容易に光路選択膜１５を形成することができる。なお、上記光干渉フィルタは、誘電体多層膜の層構成に金属膜を追加した金属／誘電体多層膜としてもよい。また、誘電体多層膜等からなる光干渉フィルタは、ＥＢ蒸着（電子ビーム共蒸着）、スパッタ等で透明支持基板上に複数の薄膜材料を成膜することで形成可能である。さらに、前記薄膜材料は、異なる屈折率を有する有機多層膜、又は無機物を含有する有機多層膜でもよく、この場合は塗布、ラミネート等により、より低コストで形成可能である。
【０１４９】
ここで、光路変換膜１３と光路選択膜１５の光学的性質について詳述する。
まず、光路変換膜１３が、例えば屈折により光路を変化させる場合を考える。図８に示すように、光路変換膜（平均屈折率ｎｔ）、光路選択膜（平均屈折率ｎｓ）、透明媒質ｕ（平均屈折率ｎｕ）、透明媒質ｖ（平均屈折率ｎｖ）、全反射面の前方側の透明媒質ｗ（平均屈折率ｎｗ）がこの順で配置された光学素子の場合、透明媒質ｖと透明媒質ｗとの界面が全反射面とすると、各々の界面での入射角と各媒質の平均屈折率の関係は（２）式のように表せる。
【０１５０】
ｎｖ・ｓｉｎθｖ＝ｎｗ
ｎｕ・ｓｉｎθｕ＝ｎｖ・ｓｉｎθｖ＝ｎｗ
ｎｓ・ｓｉｎθｓ＝ｎｕ・ｓｉｎθｕ＝ｎｗ
ｎｔ・ｓｉｎθｔ＝ｎｓ・ｓｉｎθｓ＝ｎｗ （２）
ここで、θｔ、θｓ、θｕ、θｖは、それぞれの媒質内での光路角度である。
【０１５１】
従って、光路変換膜１３の条件としては、
ｓｉｎθｔ＞ｎｗ／ｎｔ
の条件を満たす角度θｔの光を少なくとも含んで光路前方に出力する必要がある。好ましくは、この条件を満たす角度θｔの光をできる限り多く含んで光路前方に出力する。なお、透明媒質ｗが空気の場合はｎｗ＝１となり、上記条件は、
ｓｉｎθｔ＞１／ｎｔ
となる。
【０１５２】
一方、光路選択膜１５の条件としては、
ｓｉｎθｓ＞ｎｗ／ｎｓ
の条件を満たす光のみを透過させるように設定される。なお、透明媒質ｗが空気の場合はｎｗ＝１となり、上記条件は、
ｓｉｎθｓ＞１／ｎｓ
となる。
【０１５３】
次に、光路選択膜１５の特性を、図９〜図１１を用いて詳細に説明する。
図９は光路選択膜１５への入射光の入射角を示しており、図１０は入射光の波長に対する光路選択膜１５の分光透過率を入射角毎に示したグラフで、図１１は光路選択膜１５内外の光路を示す図である。
【０１５４】
まず、図９に示すように、光路選択膜１５へ入射光を各入射角θ₀，θ₁，θ₂，θ₃で入射させた場合を考えると、図１０に示すように光路選択膜１５の分光透過率が変化する。即ち、入射角が全反射臨界角θ_C以下のθ₀（０度）の場合は、分光透過率が入射光の波長域λ_iS〜λ_iLに対して略０％となって遮光状態（透過せずに反射される状態）となる。一方、入射角が全反射臨界角度θ_Cより大きい場合は、入射角がθ₁，θ₂，θ₃と大きくなるに従って、分光透過率の透過特性が短波長側にシフトするため透過光量が増加する。即ち、光路選択膜１５への入射光の入射角がこの光路選択膜１５の表面に対して浅い角度となるに従って、選択的に反射される入射光の波長が短波長側にシフトする。これにより、入射光の入射角度成分がθ₀の光は透過せず、入射角度成分が特定の角度より大きいθ₁，θ₂，θ₃の光がこの順に多く透過するようになる。そこで、光路選択膜１５を、その分光特性が、所定の界面における全反射臨界角θ_Cより大きい入射光成分だけが透過するように設計することにより、全反射条件を満足しない入射光成分を遮光して、全反射する入射光成分だけを光路選択膜１５から選択的に出射させることが可能となる。
【０１５５】
上記のように、全反射面１９における全反射臨界角θ_Cより大きい入射光成分だけが透過するように設計された光路選択膜１５を用いて全反射光学部材１７を構成した場合の入射光光路を、図１１を用いて説明する。
図１１（ａ）は、光路選択膜１５に入射された光が光路選択膜１５で反射する光路Ａと、光路選択膜１５に入射された光が、光路選択膜１５を透過して光路前方の透明基板２と透明媒質２７との界面となる全反射面１９で全反射する光路Ｂとを示している。
【０１５６】
光路Ａは、入射光の入射角θ_iが全反射面１９における全反射臨界角θ_C以下の場合で、光路選択膜１５は、このような入射角成分の光を透過させずにその表面で選択的に反射させる。このため、全反射臨界角θ_C以下の入射角度成分の光は光路選択膜１５により光路前方に対して遮光される。
光路Ｂは、入射光の入射角θ_iが全反射面１９における全反射臨界角θ_Cより大きい場合で、光路選択膜１５は、このような入射角成分の光を透過させる。このため、全反射臨界角θ_Cより大きい入射角度成分の光は光路選択膜１５を透過して透明基板２に導入され、全反射面１９で全反射される。
なお、図１１（ａ）は、入射光が入射される側の屈折率ｎａと透明基板２の屈折率ｎｂが等しく、光路選択膜１５に対する入射角θ_iと全反射面１９における入射角θ_Sとが等しい場合を示している。
【０１５７】
一方、図１１（ｂ）は、入射光が入射される側の屈折率ｎａと透明基板２の屈折率ｎｂが異なり、光路選択膜１５に対する入射角θ_iと全反射面１９における入射角θ_Sとが異なる場合を示している。この場合の光路選択膜１５は、全反射面１９における入射角θ_Sが全反射臨界角θ_Cより大きくなるように設計される。
【０１５８】
上記のように設計された光路選択膜１５を用いて全反射光学部材１７を構成することにより、図３に矢印で光路を示すように、全反射光学部材１７に導入されたコリメート光又は拡散光からなる面状の入射光が光路変換膜１３に入射されると、光の照射位置から拡散等により光路が変化する。そして、光路の変化した光が光路選択膜１５に到達すると、透明基板２と透明媒質１８との界面となる全反射面１９における全反射臨界角θ_Cより大きい角度成分の入射光だけが光路選択膜１５を透過し、他の角度成分の入射光は光路選択膜１５の表面で光入射側に選択的に反射される。
【０１５９】
従って、全反射光学部材１７に入射される光のうち、全反射面１９で全反射する光だけが光路前方に導入され、この導入された光が全反射面１９で全反射する。即ち、光路選択膜１５においては、光路選択膜１５から出射される透過光の実質的全てが、光路選択膜１５より入射光光路前方の全反射面における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は選択的に反射されて透過されない。なお、全反射面を有する媒質内において、導光、蓄積、閉じ込め等が行われることは実質的にない。
【０１６０】
また、光路選択膜１５の表面で入射光導入側に反射された光の一部は、光路変換膜１３の光入射側の界面（反射層）で反射され、再度、光路選択膜１５に投入される。この再投入された光は入射角度が大きくなり、全反射臨界角θ_Cより大きくなって、光路選択膜１５を透過して透明基板２に導入される。
【０１６１】
次に、全反射光学部材１７の分光透過率をシミュレーションにより求めた結果を説明する。
本シミュレーションでは、全反射光学部材１７の構成を、入射光の導入側から、光路変換膜１３としての光拡散フィルム（屈折率ｎ＝１．５）、光路選択膜１５としての誘電体多層膜、透明基板２としてのガラス基板（屈折率ｎ＝１．５）の順に積層されている。なお、透明基板２の光路前方には、空気（屈折率ｎ＝１．０）が存在する。
【０１６２】
光路選択膜１５を構成する誘電体多層膜は、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂／…／ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂なる合計２９層の多層膜構造とし、各層の光学膜厚は１／４λ（ただし、波長λ＝４４０ｎｍ）に設定した。また、入射光は、波長λ＝４００〜５２０ｎｍの青色を含む可視光を用いた。そして、この場合の全反射臨界角θ_Cは約４０ｄｅｇとなる。
【０１６３】
上記条件の下で光路選択膜１５（誘電体多層膜）の分光透過率を求めたところ、図１２、図１３に示す結果を得た。ここで、図１２は波長λに対する分光透過率Ｔの変化を入射角θ毎に示したグラフであり、図１３は入射角θに対する分光透過率Ｔを波長λ毎に示したグラフである。
【０１６４】
図１２（ａ）に示すように、入射角θが０ｄｅｇの場合は、青色光源の波長域における分光透過率Ｔが略０％となっており、光路選択膜１５から入射光が透過することはない。また、図１２（ｂ）に示す入射角θが全反射臨界角θ_Cの直前となる４０ｄｅｇの場合も、入射光が光路選択膜１５から透過されることはない。図１２（ｃ）に示す入射角θが７０ｄｅｇの場合は、Ｐ波に対しては８０％前後の分光透過率で、Ｓ波に対しては略０％の分光透過率で、Ｐ波とＳ波の平均は約４０％程度となっている。
【０１６５】
また、図１３（ａ）に示すように、青色光源の波長域における短波長側の波長λ＝４００ｎｍの場合は、Ｐ波に対しては入射角θが約５０ｄｅｇ以上から分光透過率が向上しており、図１３（ｂ）に示す中心波長λ＝４５０ｎｍの場合は、入射角θが約４５ｄｅｇ以上から分光透過率が向上し、さらに、図１３（ｃ）に示す長波長側の波長λ＝５００ｎｍの場合は、入射角θが約４０ｄｅｇ以上から分光透過率が向上している。
【０１６６】
従って、Ｐ波を用いて光学部材を全反射させたり、光学部材の諸条件を変更してＳ波の分光特性をＰ波に近い特性に適宜設計することにより、青色光源の波長域の入射光を、その入射角θが全反射臨界角θ_C以下の角度では選択的に反射させ、且つ、全反射臨界角θ_Cより大きい角度では透過させることができる。これにより、誘電体多層膜を光路選択膜１５として実用上十分に機能させることができる。
【０１６７】
なお、前述した変形例では誘電体多層膜の例としてＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂からなる多層膜を挙げたが、対象とする光の波長に対して適宜その材料を選択することが好ましい。例えば、
可視光に対して、
・高い屈折率材料（屈折率が概ね１．８以上の材料）として；
ＴｉＯ₂，ＣｅＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅，ＺｒＯ₂，Ｓｂ₂Ｏ₃，ＨｆＯ₂，Ｌａ₂Ｏ₃，ＮｄＯ₃，Ｙ₂Ｏ₃，ＺｎＯ，Ｎｂ₂Ｏ₅
・比較的高い屈折率材料（屈折率が概ね１．６〜１．８の材料）として、
ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｅＦ₃，ＬａＦ₃，ＮｄＦ₃
・低い屈折率材料（屈折率が概ね１．５以下の材料）として；
ＳｉＯ₂，ＡｌＦ₃，ＭｇＦ₂，Ｎａ₃ＡｌＦ₆，ＮａＦ，ＬｉＦ，ＣａＦ₂，ＢａＦ₂
等が好ましい。
【０１６８】
次に、以上説明した平面表示素子１００に使用される全反射光学部材１７の変形例を説明する。
まず、光路選択膜として、前述の光干渉フィルタに代えてブラッグ反射フィルタを用いた変形例を説明する。
図１４に光路選択膜を液晶膜により構成した例を示した。この場合の光路選択膜１６は、ＩＴＯ等からなる一対の透明電極３１と、その内側に形成された配向層３３と、配向層３３に囲まれたコレステリック液晶層３５とからなる。
【０１６９】
この構成のコレステリック液晶層３５によるフィルタリング効果を以下に説明する。コレステリック液晶層３５は、コレステリック液晶分子が層に対して平行に配向され、層の垂直方向に対して螺旋構造を呈している。
コレステリック液晶層３５の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、複屈折率をΔｎ、平均屈折率をｎとすると、複屈折率Δｎは（３）式で表せる。
【０１７０】
Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ （３）
また、平均屈折率ｎは、近似的に（４）式により表せる。
ｎ＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２ （４）
【０１７１】
さらに、コレステリック液晶層３５の螺旋ピッチをＰ［nm］とした場合、コレステリック液晶層３５はブラッグ反射の原理で選択的に反射する特性を示す。即ち、入射角θ［deg］でコレステリック液晶層３５に入射した光が選択的に反射された場合の入射光の中心波長λ（θ）［nm］は（５）式で表せる。
λ（θ）＝λ（０）・cos［sin^-1（sinθ／ｎ）］ （５）
【０１７２】
ただし、入射光は空気（屈折率＝１）から入射させるものとする。ここで、λ（０）［nm］は入射角がθ₀、即ち、層に対して垂直入射したときの中心波長であり、（６）式で表せる。
λ（０）＝ｎ・Ｐ （６）
また、反射波長幅Δλ［nm］は（７）式で表せる。
Δλ＝Δｎ・Ｐ （７）
【０１７３】
従って、コレステリック液晶層３５の物性値である常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ、螺旋ピッチＰを制御して層を形成することにより、入射角θに応じて変化する任意の反射中心波長λ（θ）と、所望の反射波長幅Δλを有した光学フィルタを形成できる。例えば、螺旋ピッチＰの調整は、螺旋ピッチの異なる２種以上の材料を混合して調整する等の製法により可能である。
さらに、対象とする入射光の波長域が広い場合は、コレステリック液晶層の選択反射波長域も広げる必要がある。この場合は、螺旋ピッチが厚み方向で連続的に異なるように液晶を配向させることで反射波長域を広げることができる。また、異なる選択反射波長域のコレステリック液晶層を積層することによっても反射波長域を広げることができ、本発明の光路選択膜として使用可能である。
【０１７４】
なお、このコレステリック液晶層３５は、次のようにして製造できる。
コレステリック液晶を成膜する支持体上にポリイミド配向膜を塗布、乾燥し、ラビングによる表面処理を行う。これにより、ポリイミド配向膜が形成される。この上に、低分子コレステリック液晶、又はネマチック液晶とねじれを発現させるカイラル剤の混合物、高分子モノマー、光重合開始剤を有機溶剤で混合させた調整液により塗布した後、適当な温度で配向させる。その後、必要な部分に紫外線を露光して光重合させ、現像により不要部分を除去する。最後に高温ベークを行って安定させる。
ねじれ方向及び反射入射角度を制御するためには、コレステリック液晶、カイラル剤、及び各々の濃度を適宜変更すればよい。
【０１７５】
また、高分子コレステリック液晶を用いて成膜することも可能である。この場合は、上記同様にポリイミド配向膜の上に高分子コレステリック液晶と光重合開始剤を有機溶媒で混合させた調整液により塗布した後、適当な温度で配向させ、必要な部分に紫外線を露光して光重合させる。反射入射角度は、配向温度を適宜選択することで制御でき、光重合により安定化する。
【０１７６】
ここで、この構成の光路選択膜１６による分光透過率を図１５に示した。このコレステリック液晶層は、左ねじれコレステリック液晶層と右ねじれ液晶層を重ねた例で、反射波長域では全偏光成分を反射する。入射角が全反射臨界角度θ_C以下のθ₀（図９参照）の場合では分光透過率が入射光の波長域λ_iS〜λ_iLに対して略０％となって遮光状態となるが、入射角が全反射臨界角θ_Cより大きい角度で、θ₁，θ₂，θ₃と大きくなるに従って、分光透過率の透過特性が短波長側にシフトするため透過光量が増加する。これにより、入射光の入射角度成分がθ₀の光は透過せず、入射角度成分が特定の角度より大きいθ₁，θ₂，θ₃の光がこの順に多く透過するようになる。そこで、光路選択膜１６の分光特性を所定の界面における全反射臨界角θ_Cより大きい入射光成分だけが透過するように設計することにより、全反射条件を満足しない入射光成分を選択的に除去して、全反射する入射光成分だけを光路選択膜１６から出射させることが可能となる。
【０１７７】
この構成によれば、前述の光干渉フィルタを用いた場合と同様な作用効果が得られると共に、より低コストで光路選択膜を実現することができる。
【０１７８】
また、コレステリック液晶層３５については、その螺旋構造が右ねじれの場合、右円偏光成分の光を反射し、螺旋に沿った左円偏光成分の光を透過させる。一方、螺旋構造が左ねじれの場合、左円偏光成分の光を反射し、右円偏光成分の光を透過させる。従って、全偏光成分の光を反射、即ち、透過させない場合は、左ねじれ（又は右ねじれ）コレステリック層と逆の右ねじれ（左ねじれ）コレステリック層を順次重ねる構造にすることにより、全偏光を反射させることができる。
【０１７９】
上記コレステリック液晶以外で、ブラッグ反射の機能を有する光学要素としては体積ホログラムが有効である。体積ホログラムはフィルム内に形成された格子状の屈折率分布によりブラッグ反射機能を有し、特定の波長を反射する。また、入射角が大きくなると反射波長は短波側にシフトし、光路選択膜として機能する。体積ホログラムは、ホログラム用写真感材、相分離型フォトポリマー、ＨＰＤＬＣ（ホログラフィック高分子分散液晶）、フォトリソグラフィ材料等を感光材料とし、これに多光束干渉露光を行うことにより形成可能である。
【０１８０】
次に、光結合要素２１を説明する。
光結合要素２１は、全反射面における入射光の全反射条件を崩し、光結合要素２１に光を結合させて取り出し、光路前方に出射させるものである。この光結合要素２１には、取り出した光の光路を変更する光路変更手段、特定波長成分を吸収する特定波長成分吸収手段が適宜設けられる。具体的には、例えば次の（１）〜（４）に示す種類のものが利用できる。
【０１８１】
（１）屈折により光路を変更するもの又はその機能を有するもの
全反射面１９に近接配置させることで取り出した出力光を、屈折によりその光路を変更するものであって、例えば、図１６（ａ）に示すレンズアレイ、図１６（ｂ）に示すプリズムアレイ、図１６（ｃ）に示す屈折率分布レンズ体等が挙げられる。これらのレンズアレイ、プリズムアレイによれば、全反射光学部材１７の全反射面１９から取り出した出力光を集光或いは拡散させて異なる方向に出射させることができ、出力光に出射方向性を持たせたり、出射方向性をなくすことを出力光の強度を低下させることなく簡単な構成で行える。
【０１８２】
（２）透過型回折格子又はその機能を有するもの
取り出した光を透過させると共に回折により出射方向を変更する透過型回折格子としては、前述と同様の図５（ａ）に示す体積ホログラム、図５（ｂ）に示すレリーフ型回折格子、図５（ｃ）に示す屈折率変調型回折格子、また、振幅変調型回折格子等が挙げられる。これらの透過型回折格子によれば、出力光の出射角度を正確に設定することができる。また、例えばフォトポリマー法や射出成形法によって大量生産が可能となり、表示素子自体のコストダウンが図られる。
（３）光拡散体又は光散乱体或いはその機能を有するもの
取り出した光を拡散又は散乱させる光拡散体又は光散乱体としては、図１７（ａ）に示す量産に適した多孔質体、図１７（ｂ）に示す高屈折率微粒子等の異なる屈折率を有する物質３７の分散体又は分布体、図１７（ｃ）に示す表面に凹凸が形成された光拡散体又は光散乱体等が挙げられる。これらの光拡散体又は光散乱体によれば、拡散又は散乱により出力光を任意の方向に散らすことができ、出力光の出射方向性をなくすことができる。
【０１８３】
（４）入射光を吸収するもの又はその機能を有するもの
入射光を吸収するものとしては、画像データの記録された透過性画像フィルム等が挙げられる。全反射光学部材１７の全反射面１９から取り出した出力光を透過性画像フィルムにより特定波長成分を吸収させて出射することで、濃淡表示と特定色の発色を得ることができる。即ち、透過性画像フィルムに記録された画像様に表示が行える。このため、同一種の入射光であっても複数色の出射光を選択的に得ることができる。
【０１８４】
以上説明した図２に示す平面光源１０、全反射光学部材１７，光結合要素２１を備えた第１実施形態の平面表示素子１００について、その光変調動作を説明する。
図２に示す平面光源１０からの励起光が全反射光学部材１７に導入されると、光路変換膜１３及び光路選択膜１５を透過した励起光が全反射光学部材１７の全反射面１９で全反射されることになる。
【０１８５】
そして、この全反射面１９に光結合要素２１が近接した領域では、全反射面１９における全反射条件が崩されて、光結合要素２１に全反射面１９から励起光が取り出される。取り出された励起光は全反射光学部材１７とは反対側の表示側に出射され表示光となる。一方、光結合要素２１が全反射面１９から離間した領域では、励起光は全反射面１９で全反射されて表示側に出射されることはない。このように、本実施形態の平面表示素子１００は、光結合要素２１の構成が単純であるため、空隙ギャップや成膜の不均一性が大幅に低減でき、大面積化への実用性に優れた構成となっている。
【０１８６】
上記構成の平面表示素子１００によれば、導光板や光導波路を使用することなく、低コストの構成で面状の光源からの入射光を面状のまま直接的に高効率で全反射光学部材１７に導入するため、例えば入射光を端面側から導入する場合と比較して入射光の導入口を格段に広く採ることが可能となり、入射光との結合効率が向上し、平面表示素子１００自体の薄型化に影響されることなく、高効率で面状の全反射光を導入することができる。これにより、光結合要素２１が全反射面１９に近接配置された領域から、全反射面１９から取り出された入射光を表示面側に高効率で出射することができる。従って、平面表示素子１００の光路前方側の面では、光結合要素２１の近接配置された領域だけが光り、平面表示素子１００から画像様に光が出射される。即ち、必要箇所だけに画像表示を行うことができる。また、この構成によれば、導光板や光導波路を使用する場合に生じるクロストークによる局所的な光量低下が防止され、表示画面の全面に亘って均等な明るさの表示が可能となる。
【０１８７】
そして、平面表示素子１００内の各界面で反射される入射光の一部は、界面における反射等により光路前方に再投入されるため、平面表示素子１００の高出力化も容易に達成できる。さらに、全反射光学部材１７単体では透過光が実質的に生じないため、導入した光量が減衰することがなく、光利用効率を向上できる。なお、全反射光学部材１７が空気（不活性ガスであってもよい）と接触する気体接触界面を全反射面とすることにより、全反射を生じさせる屈折率の層を別途設けることなく単純構造にできる。
【０１８８】
また、平面光源の配置位置が自在に選択でき、数多くの光源を実装することが可能となり、光の出射輝度を向上できる。さらに、平面光源の入射光角度分布制限がなく、既存のバックライト光源が使用可能となる。なお、図示は省略するが、平面表示素子１００の入射光導入側に、この平面表示素子１００により反射された入射光を平面表示素子１００側に再投入するための反射体を設けてもよい。これにより、光のリサイクルが行われ、光利用効率が向上して高効率化が図られる。
【０１８９】
次に、上記平面表示素子１００に用いられる全反射光学部材１７の他の構成例を簡単に説明する。
まず、図１８（ａ）に示す全反射光学部材は、入射光の導入側から、光路変換膜１３、全反射面を有する透明基板２がこの順で積層された構造体である。この全反射光学部材は、透明基板２の光路前方の全反射面で入射光が全反射されるように光路変換膜１３が設計されている。
この全反射光学部材によれば、入射光が照射されると、光路変換膜１３によって、透明基板２の全反射面で全反射する入射角度成分に光路が変更される。この光路変換膜１３の透過光が全反射面で全反射される。
【０１９０】
次に、図１８（ｂ）に示す全反射光学部材は、入射光の導入側から、光路変換膜１３、透明基板２、全反射面を有する光路選択膜１５がこの順で積層された構造体である。この全反射光学部材は、光路選択膜１５の光路前方の全反射面で入射光が全反射されるように光路変換膜１３が設計されている。
この全反射光学部材によれば、入射光が照射されると、光路変換膜１３によって入射光の光路が変更される。これにより、全反射面で全反射する入射角成分となった光は、光路選択膜１５に導入されて全反射面で全反射される。一方、これ以外の入射角成分の光は、光路選択膜１５に導入されずに選択的に反射され、入射光導入側に戻される。
【０１９１】
さらに、図１８（ｃ）に示す全反射光学部材は、図１８（ｂ）に示す全反射光学部材の光路前方に透明基板２の屈折率より低い屈折率を有する透明媒質３９を設けた構成としている。この場合は、光路選択膜１５が透明媒質３９の光路前方の全反射面で入射光を全反射するように設計されている。
この全反射光学部材によれば、光路変換膜１３と透明基板２を通じて入射光が導入されると、光路選択膜１５に導入された入射光が、透明媒質３９の光路前方の全反射面で全反射される。一方、これ以外の入射角成分の励起光は、光路選択膜１５に導入されずに選択的に反射され、入射光導入側に戻される
【０１９２】
次に、図１８（ｄ）に示す全反射光学部材は、入射光の導入側から、光路選択膜１５、全反射面を有する透明基板２がこの順で積層された構造体である。この全反射光学部材は、透明基板２の光路前方の全反射面で入射光が全反射されるように光路選択膜１５が設計されている。
この全反射光学部材によれば、入射光が照射されると、光路選択膜１５によって、透明基板２の全反射面で全反射する入射角度成分の光だけがこの光路選択膜１５を透過する。この透過光が全反射面で全反射される。一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路選択膜１５で選択的に反射され、実質的に全反射光学部材を透過することはない。
【０１９３】
次に、図１８（ｅ）に示す全反射光学部材は、入射光の導入側から光路変換膜１３、光学的接着層となる光学的接続媒質４１、光路選択膜１５、透明基板２がこの順で積層された構造体である。この全反射光学部材によれば、入射光が照射されると、光路変換膜１３と光路選択膜１５によって透明基板２の全反射面で全反射する入射角度成分だけが取り出される。この取り出された光が全反射面で全反射する。一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路選択膜１５で選択的に反射され、実質的に全反射光学部材を透過することはない。
【０１９４】
次に、図２４（ｆ）に示す全反射光学部材は、入射光の導入側から透明基板２、光路変換膜１３、光路選択膜１５がこの順で積層された構造体である。この全反射光学部材によれば、入射光が照射されると、透明基板２を通して光路変換膜１３に入射光が導入され、光路変換膜１３と光路選択膜１５によって全反射面で全反射する入射角度成分だけが取り出される。この取り出された光が全反射面で全反射する。一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路選択膜１５で選択的に反射され、実質的に全反射光学部材を透過することはない。
【０１９５】
上記各構成の全反射光学部材のいずれであっても、前述した実施形態の全反射光学部材に適用でき、同様の作用効果を奏することができる。なお、全反射光学部材の層構成は、上述の主旨に添った機能を奏すれば、特に限定されるものではない。
【０１９６】
次に、本実施形態の平面表示素子の変形例として、入射光を平面表示素子の側方から導入して全反射導光させる構成とした一例を説明する。
図１９に透明基板２を全反射導光板として使用して入射光を側方から導入する構成例を示した。この平面表示素子では、導光板となる透明基板２の一方の側端部にプリズム４３を光学的に接続し、このプリズム４３を通じて光源（白色光源、ＬＥＤ、レーザ光源等）１１からの光を導入し、透明基板２内で全反射導光させている。
この構成によれば、光源１１を平面表示素子の側方に配置する構成となるため、平面表示素子を薄型化が図られ、よりコンパクトにできる。
【０１９７】
次に、本実施形態の平面表示素子の他の態様として、発色フィルタの構成を変更したいくつかの変形例を説明する。
図２０に発色フィルタに反射膜を設けた一構成例を示した。反射膜４５は、光変調素子３と各発色フィルタ（青色フィルタ５，緑色変換フィルタ６，赤色変換フィルタ７）との間に設けられ、励起光を透過させて各色変換フィルタからの発光光を反射する。これにより、反射膜４５を透過した励起光は、各発色フィルタで励起発光に供され、この発光光のうち励起光の導入側に戻る向きの成分が反射膜４５により反射され、光路前方へ出射される。従って、発光光の光利用効率が向上して高輝度の表示を効率よく行うことができる。
【０１９８】
次に、図２１に発色フィルタに外部光減衰フィルタを設けた一構成例を示した。外部光減衰フィルタは、前面板８と各発色フィルタとの間に設けられ、前面板８を介して照射される外光により各発色フィルタからの発光光が見えにくくなることを防止している。この外部光減衰フィルタ４７としては、例えばＮＤ(Neutral Density)フィルタを用いることができる。
外部光減衰フィルタ４７は、発色フィルタの出射面側に外部光が入射して反射することを抑制するものであり、ＮＤフィルタを用いることで色調を変えることなく光量を減少させるようになっている。なお、本実施形態のＮＤフィルタは、例えばガラス板に金属クロムを成膜させることで形成している。また、ＮＤフィルタに代えて、偏光フィルタを用いることができる。これにより、特定偏光方向の光成分を除去して反射強度を弱めることができる。
【０１９９】
さらに、図２２に発色フィルタを光結合要素に接して設けた一構成例を示した。色変換フィルタ（色フィルタ）は、光結合要素２１の光路前方で接するようにそれぞれ設けられ、光結合要素２１によって取り出される光を高効率で励起発光させている（或いは選択的に色成分を透過させている）。
また、図２３は、発色フィルタを光結合要素内に設けた一構成例を示している。このように、色変換フィルタを光結合要素と混合して一体に設けた構成とすることで、平面表示素子の製造工程の簡略化が図られる。なお、光結合要素の可動薄膜材料との混合比率については、光結合要素が実用上十分な可撓性を有すればいずれの比率であってもよい。
【０２００】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る平面表示素子の第２実施形態について説明する。本実施形態の平面表示素子は、前述の第１実施形態における全反射光学部材１７と全反射型の光変調素子３に代えて、透明基板上に形成した干渉型の光変調素子を備えたものである。
【０２０１】
図２４に本実施形態の平面表示素子の概略的な構成図を示した。本実施形態の平面表示素子２００は、平面光源１０の出射光を導入する透明基板２と、透明基板２上に形成した干渉型の光変調素子５１と、発色フィルタ５，６，７を光変調素子５１側に設けた前面板８とを備えてなる。
図２５は干渉型の光変調素子５１の具体的な構成と動作を示す説明図である。この光変調素子５１は、ガラス等の透明基板２上に、ＩＴＯ等の下側透明電極５３、誘電体多層膜等の下側干渉膜５５、透明スペーサ５７がこの順で形成され、さらに、両脇の支柱５９を介して所定の空隙を空けて上側干渉膜６１、上側透明電極６３が透明基板２に対して近接可能に可撓性を有して形成されている。
【０２０２】
つまり、光変調素子５１は、下側透明電極５３と下側干渉膜５５が形成された透明基板２と、上側干渉膜６１と上側透明電極６３からなる可動薄膜６５との間に空隙６７を有し、この空隙６７内の下側干渉膜５５上に透明スペーサ５７を設けてある。
これら上側干渉膜６１、下側干渉膜５５は、誘電体多層膜からなり、例えば蒸着により形成した５層、７層、９層又は１５層等のＴｉＯ₂ ／ＳｉＯ₂ の多層膜からなる。これら干渉膜６１，５５は、所謂ハーフミラーとしての機能を有する。このような多層干渉膜は、屈折率の高い誘電体材料と、屈折率の低い誘電体材料とを交互に積層することで、各層間の境界面での反射光や透過光による干渉を強め合い、高反射率、高透過率が得られる。
【０２０３】
上記光変調素子５１では、図２５（ａ）に示す状態から、上側透明電極６３と下側透明電極５３との間に駆動電圧Ｖ_ONが印加されることにより、電極間に静電気力が発生して、図２５（ｂ）に示すように、可動薄膜６５が透明基板２側へ吸引されて透明スペーサ５７に密着される。そして、非駆動電圧Ｖ_OFFの印加により静電気力による吸引力がなくなると、図２５（ａ）に示すように、可動薄膜６５は弾性復帰力によって再び中央部が空隙６７を隔てた位置に浮上して配置される。光変調素子５１は、この可動薄膜６５の変位動作又は弾性復帰動作により、特定の波長域の光が可干渉性により透過又は反射される。
【０２０４】
この光変調素子５１は、可動薄膜６５の変位により、上側干渉膜６１、下側干渉膜５５からなる平行ミラー間の距離を異ならせ、平行ミラー間で繰り返し反射させた合成波の強度を変化させることによって、光を透過又は反射させている。即ち、ファブリペロー干渉を利用した光変調を行っている。平行ミラー間で反射と透過が繰り返されるファブリペロー干渉においては、空隙の略整数倍の波長のみが光変調素子５１を透過する。
【０２０５】
ファブリペロー干渉では、入射光線が、反射と透過を繰り返して多数の光線に分割され、これらは互いに平行となる。透過光線は、無限遠において重なり合い干渉する。面の垂線と入射光線のなす角をθとすれば、隣り合う二光線間の光路差はｘ＝ｎｔ・ｃｏｓθで与えられる。但し、ｎは二面間の屈折率、ｔは間隔である。光路差ｘが波長λの整数倍であれば透過線は互いに強め合い、半波長の奇数倍であれば互いに打ち消し合う。即ち、反射の際の位相変化がなければ、
２ｎｔ・ｃｏｓθ＝ｍλ …（８） で透過光最大となり、
２ｎｔ・ｃｏｓθ＝（２ｍ＋１）λ／２ …（９） で透過光最小となる。
但し、ｍは整数である。
【０２０６】
ここで、光変調素子５１を用い、平均波長λ₀が４５０ｎｍの青色光源からの出射光を光変調する場合について説明する。ここで、光変調素子５１において、非駆動電圧Ｖ_OFF印加時における空隙６７の間隔をｔ_OFF 、駆動電圧Ｖ_ON印加時における空隙６７の間隔をｔ_ONとする。
更に、ｔ_OFF、ｔ_ON を下記のように設定する。
ｔ_OFF ＝３／４×λ₀＝３３７．５ｎｍ
ｔ_ON ＝１／２×λ₀＝２２５ｎｍ
但し、
ｍ＝１
上記間隔ｔ_ONは、透明スペーサ５７の厚みを調整することで、正確に設定することができる。
【０２０７】
また、可動薄膜６５、干渉膜５５，６１は、光強度反射率をＲ＝０．８５とする。空隙６７は空気又は希ガスとし、その屈折率はｎ＝１とする。入射光は、コリメートされており、光変調素子５１に入射する入射角θは略ゼロとする。このときの光変調素子５１の光強度透過率は図２６のようになる。即ち、光変調素子５１は、非駆動電圧Ｖ_OFFの印加時には、ｔ_OFF＝３３７．５ｎｍとなり、４００〜５２０ｎｍの青色光をほとんど透過させない。一方、駆動電圧Ｖ_ONを印加してｔ_ON＝２２５ｎｍとなると、上記青色光を透過させるようになる。
【０２０８】
さらに、光変調素子５１は、可動薄膜６５を変位させ、干渉モードで光変調を行うことで、低い駆動電圧（数Ｖ〜致十Ｖ）で、数十〔ｎｓｅｃ〕の高速動作が可能になる。なお、干渉の条件を満たせば、空隙６７の間隔ｔ、屈折率ｎ、可動薄膜６５、干渉膜５５，６１の光強度反射率Ｒ等はいずれの組合せでも良い。また、電圧の値により、間隔ｔを連続的に変化させると、透過スペクトルの中心波長を任意に変化させることが可能である。これにより透過光量を連続的に制御することも可能である。即ち、印加電圧による階調制御が可能となる。
【０２０９】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る平面表示素子の第３実施形態について説明する。本実施形態の平面表示素子は、前述の第１実施形態における全反射光学部材１７と全反射型の光変調素子３に代えて、透明基板上に形成した遮光型の光変調素子を備えたものである。
図２７は遮光型の光変調素子５１の具体的な構成と動作を示す説明図である。
透明電極７３は、光源光である青色光を透過する透明基板２上に設けられており、入射された青色光を透過させる。透明基板２上の透明電極７３以外の部位には、絶縁性の遮光膜７５が設けられる。透明電極７３及び遮光膜７５の上面には、絶縁膜７７が積層される。そして、可動薄膜としての遮光板７９は、透明基板２上に立設された支柱７８を介して、透明基板２の上方に透明基板２と所定の間隔をあけて片持ち梁構造として設けられる。遮光板７９の形状は、対向する透明基板２上の透明電極７３の形状に対応しており、透明電極７３よりも若干大きくしてある。
【０２１０】
遮光板７９は、導電性を有する可動薄膜からなり、例えば青色光を吸収、若しくは反射する材料からなる単一の導電性薄膜、又は複数の導電性薄膜で構成される。具体的には、青色光を反射するアルミ、クロム等の金属薄膜、ポリシリコン等の半導体による単体構成が挙げられる。また、シリコン酸化物、シリコン窒化物等の絶縁膜、ポリシリコン等の半導体薄膜に金属を蒸着した構成、又は誘電体多層膜等のフィルタを蒸着した複合構成とすることもできる。
【０２１１】
このように構成された光変調素子７１は、次のように動作する。光変調素子７１において、遮光板７９及び透明電極７３間に非駆動電圧を印加した状態では、図２７（ａ）に示すように、遮光板７９は透明電極７３と対向しており、透明電極７３を透過した青色光は遮光板７９によって吸収又は反射される。
一方、遮光板７９及び透明電極７３間に駆動電圧を印加すると、図２７（ｂ）に示すように、両者間に作用する静電気力により遮光板７９が捩じれながら透明電極７３側に変形する。これにより、平面光源から透明電極７３を透過した青色光は、遮光板７９に遮光されることなく、上方に出射される。
そして、再び遮光板７９、及び透明電極７３間への印加電圧をゼロにすると、遮光板７９は、遮光板７９自体及び支柱７８の弾性によって初期位置に戻る。
【０２１２】
次に、本実施形態に係る遮光型の光変調素子を備えた平面表示素子の他の変形例について説明する。
図２８はスライド型の光変調素子の概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。
光変調素子８１は、対向電極８２，８３及び可動薄膜としての電極遮光板８４への駆動電圧印加に伴う静電気力によって、電極遮光板８４を図２８で左右方向に変位させることにより、図示しない平面光源からの光を遮光させ、又は透過させる。
【０２１３】
この対向電極８２，８３は、透明基板２上で所定の間隔をあけて対向して対をなし、図２８（ａ）において、並列に計２対設けられる。また、透明基板２上の図２８における右側の対向電極８３の間には、遮光膜８５が設けられる。
電極遮光板８４は、対向電極８２，８３間で透明基板２から図２８（ｂ）の上方に所定の間隔をあけた位置に、左右方向に変位可能に設けられる。即ち、電極遮光板８４の左右両側は、折れ線バネ８６等の可撓部材を介して支持部８７に支持されている。電極遮光板８４は、対向電極８２，８３への駆動電圧印加に伴う静電気力によって、折れ線バネ８６を弾性変形させつつ、図２８の左右方向に変位する。電極遮光板８４の左右方向の寸法は、支持部８７間の左右方向に沿う距離の略半分である。
【０２１４】
このように構成された光変調素子８１は、次のように動作する。即ち、光変調素子８１において、電極遮光板８４に電圧ゼロを印加した状態で、図２８の左側の対向電極８２のみに駆動電圧を印加すると、電極遮光板８４は、静電気力によって図２８の左側の対向電極８２間に移動する。即ち、図２８に示す状態となる。これにより、平面光源から出射され遮光膜８５で遮光されずに透明基板２を透過した光は、電極遮光板８４によって遮光される。
【０２１５】
一方、電極遮光板８４に＋Ｖの電圧を印加した状態で、図２９の左側の対向電極８２のみに駆動電圧を印加すると、電極遮光板８４は、静電気力によって図２９の右側の対向電極８３間に移動する。即ち、図２９に示す状態となる。これにより、平面光源から出射され遮光膜８５で遮光されずに透明基板２を透過した光は、電極遮光板８４によっても遮光されることなく、図２９（ｂ）の上方に出射される。
そして、再び電極遮光板８４への印加電圧をゼロにすると、電極遮光板８４は、折れ線バネ８６の弾性力及び静電気力によって初期位置に戻る。
【０２１６】
次に、遮光型の光変調素子のさらなる他の変形例について説明する。
図３０に櫛形の光変調素子を一部切り欠いた斜視図を示した。この光変調素子９１は、絶縁性を有し変調しようとする励起光に対して透明な透明基板２上に、一定の間隔を隔てて複数の遮光膜９２を形成してある。この遮光膜９２は、透明基板２下側から導入された励起光を遮光して上側への光出射を阻止している。
【０２１７】
また、透明基板２上には一対の平行な帯状のスペーサ９３が形成され、このスペーサ９３の上面には可撓性を有する薄膜状の格子体９４が形成されている。格子体９４は、透明基板２上で、隣接する遮光膜９２の間に配置される帯状の可動子（可動薄膜と同機能）９５を複数形成しており、これら可動子９５の長手方向両端を所定の間隔ピッチで支持することによりスリット（細長の間隙）９６を形成している。このため、透明基板２と可動子９５とは、スペーサ９３の厚み分の間隙を隔てて対向配置されている。
【０２１８】
可動子９５は、この可動子９５の長手方向両端に断面積の小さくなったくびれ部９５ａを有しており、このくびれ部９５ａが脆弱部分となって変形することで、可動子９５が透明基板２に対して略平行方向に移動可能になっている。そして、可動子９５は、Ｘ方向の断面形状が方形状となっており、少なくとも隣接する可動子側の面には絶縁膜９５ｂを形成して接触によるショートを防止している。図示した例では、絶縁膜９５ｂは透明基板２の反対側の面にも形成している。
【０２１９】
この可動子９５の断面は、その殆どが遮光性を有する導電膜９５ｃによって形成されているが、その構成はこの遮光性の導電膜９５ｃに限らず、遮光膜と導電膜とを個別に形成するものであっても良い。遮光性の導電膜９５ｃとしては、例えば金属、金属化合物、高不純物ドープ半導体、導電性高分子等を用いることができる。また、可動子９５を遮光性絶縁体で形成し、その周囲に導電膜を形成しても良い。なお、前述の遮光膜９２は、スリット９６と同一幅かそれ以上の幅に形成され、隣接する遮光膜９２同士の間は、遮光膜９２の形成されていない光変調領域９７が形成される。
【０２２０】
従って、図３０における透明基板２の下側から導入された光は、スリット９６に相当する位置では遮光膜９２によって透過が阻止され、光変調領域９７に相当する位置では可動子９５の遮光性の導電膜９５ｃによって透過が阻止される。結局、平面光源からの励起光は図３０における光変調素子９１の上側へは透過されないことになる。
【０２２１】
次に、このように構成される光変調素子９１の具体的な駆動方法を説明する。図３１（ａ）に示すように、走査信号電極，画像信号電極が同電位（０［Ｖ］）である場合は、可動子９５は光変調領域９７の上方に重なって位置し、光変調領域９７を通過した光の光変調素子９１上側への出射を阻止する。一方、図３１（ｂ）に示すように、走査時、画像信号電極に画像信号電圧Ｖａが印加され、走査信号電極に０［Ｖ］の電圧が印加された場合は、静電吸引力によって、異なる電極に接続された可動子９５同士が吸引されて、図中矢印で示すように透明基板２に対して平行に移動する。その結果、光変調領域９７における可動子９５による光の遮光がなくなり、透明基板２を通過した光が光変調領域９７から出射され、２値の光変調が可能になる。
【０２２２】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る平面表示素子の第４実施形態について説明する。
図３２に本実施形態に係る平面表示素子の概念的な構成を示した。この平面表示素子３００では、第１実施形態と同様に平面光源１０１が使用され、特にこの平面光源１０１を面状光が得られる有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）から構成している。なお、この有機ＥＬは、薄膜無機ＥＬにより構成してもよい。
【０２２３】
この有機ＥＬは、均一な励起光を全反射光学部材１７の全面に供給するために、基板１０３の全面にわたって均等に設けられている。具体的には、この有機ＥＬは、基板１０３の全反射光学部材１７に対面する面の全面に設けたカソード電極（陰極）１０５と、このカソード電極１０５の上面に設けた有機ＥＬ層１０７と、この有機ＥＬ層１０７の上に設けたアノード電極（陽極）１０９とを備えている。そして、カソード電極１０５とアノード電極１０９との間には、電源１１２が接続されて、有機ＥＬ層１０７を全面発光させる構成としている。
【０２２４】
カソード電極１０５としては、例えばＡｇＭｇ等の導電性材料の成膜体とすることができ、これにより金属反射膜として機能させることができる。即ち、電圧印加により発光した有機ＥＬ層１０７の発光成分のうち、基板１０３へ向いた成分をこの金属反射膜により反射させて全反射光学部材１７に向けることができる。
【０２２５】
この有機ＥＬ層１０７を構成する青色に発光する有機発光材料としては、例えば、アントラセン、シクロペンタジエン誘導体（ＰＰＣＰ：１，２，３，４，５−Pentaphenyl-1，３−cyclopentadiene）、ジスチルベンゼン（ＤＳＢ）、及びその誘導体（ＰＥＳＢ）等が挙げられる。また、緑色の光を励起光として使用する場合には、キノリノール錯体（８−hydoroxyquinoline aluminium：Ａｌｑ₃）の他、コロネン(coronene)等がその材料として挙げられる。
アノード電極１０９には、ＩＴＯ等の透明電極を用いており、有機ＥＬ層１０７からの発光光量ができるだけ減衰しない材料で形成されている。
【０２２６】
なお、本実施形態の平面光源１０１では、基板１０３上に、カソード電極１０５と、有機ＥＬ層１０７と、アノード電極１０９とを順次積層させた構造であるが、例えば、この有機ＥＬ層１０７を光路選択膜１５の光路後方に貼り付けてもよい。この場合には、光路変換膜１３は省略可能である。
【０２２７】
また、このような有機ＥＬ層１０７は、発光層が電子輸送層側に設けられたホール輸送層との２層構造であってもよく、発光層がホール輸送層側に設けられた電子輸送層との２層構造であってもよい。さらに、電子輸送層と発光層とホール輸送層との３層構造であってもよい。
【０２２８】
なお、本実施形態の光変調素子３については、前述の実施形態と同様に、静電気力を利用した全反射型、干渉型、遮光型のいずれも適用可能である。また、ここでは、平面光源１０１に有機ＥＬを用いた一例を説明したが、例えば薄膜無機ＥＬを平面光源１０１として用いた場合には、平面光源１０１は次に示す構成となる。
図３３は薄膜無機ＥＬを用いて平面光源を構成した一例を示す断面図である。この平面光源１０２は、透明基板１１１上に電極層１１３、絶縁層１１５に囲まれた蛍光体薄膜層１１７、ＩＴＯ等の透明電極層１１９が積層された構造体である。電極層１１３と透明電極層１１９に電圧を印加すると、蛍光体薄膜層１１７と絶縁層１１５との界面に高い電界が生じ、電子が加速されて蛍光体薄膜層１１７内を高速で移動するようになる。この蛍光体薄膜層１１７には例えば青色に発光する少量の不純物イオン（発光中心）が混ぜられており、移動した電子がこの発光中心に当たると、その運動エネルギが光として放出される。
【０２２９】
上記の蛍光体薄膜層１１７の発光材料としては、例えば、Ｃｅ（セリウム）を混ぜたＳｒＳ：Ｃｅ（硫化ストロンチウム）を用いることで、明るい青緑色が得られる。また、Ｃｅイオンを混ぜたストロンチウムチオガレート（ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ）を用いることで色純度の優れた青色が得られる。
また、電極層１１３としては、例えば金属、金属化合物、高不純物ドープ半導体、導電性高分子等を用いることができ、絶縁層１１５としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、セラミック、樹脂等を用いることができる。
【０２３０】
［第４実施形態］
次に、本発明に係る平面表示素子の第４実施形態について説明する。
図３４に本実施形態に係る平面表示素子の概念的な構成を示した。この平面表示素子４００は、基板１０３上に、カソード電極１０５、有機ＥＬ層１０７、アノード電極１０９からなる平面光源１２１と、この平面光源１２１上に光路選択膜１５、バッファ層１２３、光変調素子３とが設けられ、さらに光変調素子３の光路前方には色変換フィルタを有する前面板８が配置される。
【０２３１】
バッファ層１２３は、必ずしも必要とするものではなく、光変調素子３を作製するための平坦性を確保するため、及び硬化により強度を得るためのものである。このような構成とすることにより、有機ＥＬ層１０７を含む平面光源１２１と、全反射光学部材１７と、光変調素子３とが一体化されるので、平面表示素子４００がシンプルな構成になると共に、一層薄型化を図ることができる。また、有機ＥＬ層１０７は、基板１０３の全面にベタで成膜するため、パターニングが不要であり、簡単な工程により容易に製造できる。
【０２３２】
［第５実施形態］
次に、本発明に係る平面表示素子の第５実施形態について説明する。
本実施形態は、上述した各実施形態における平面表示素子を２次元マトリクス状に配列して、ＲＢＧの三色によりフルカラーで表示駆動するものである。
図３５は本実施形態に係る平面表示素子の光変調素子及び前面板の概念的な構成を示す斜視図である。この平面表示素子は、図２に示す第１実施形態の平面表示素子のうち、特に全反射光学部材１７と光変調素子３、及び各色変換フィルタを有する前面板８とを示したものである。
【０２３３】
光変調素子３は、透明基板２上に形成された透明導電膜からなる固定電極１３１と、この固定電極１３１と透明基板２とを覆うように形成された絶縁膜１３３と、この絶縁膜１３３の上面で固定電極１３１の上方位置に支柱１３５による空隙を隔てて対向配置された光結合要素２１とを備えている。この光結合要素２１は導電性材料からなる電極層が積層されたり、光結合要素２１自体が導電性材料からなることで、可動電極を構成する。
そして、光結合要素２１は図示のように、ＲＧＢの順でそれぞれマトリクス状に配列され、ＲＧＢ３つの光結合要素からなる表示領域は、１つの画素領域に相当している。
【０２３４】
固定電極１３１は、一般的には微粒子化により透明にされた金属或いは導電性を有する金属化合物で構成される。この金属としては、金、銀、パラジウム、亜鉛、アルミニウム等を用いることができ、金属化合物としては、酸化インジウム、酸化亜鉛、アルミニウム添加酸化亜鉛（通称；ＡＺＯ）等を用いることができる。具体的には、ＳｎＯ₂膜（ネサ膜）、ＩＴＯ膜等を用いることができる。
絶縁膜１３３は、例えばＳＩＯ₂により形成でき、この他にも、絶縁性のシリコン窒化物、セラミック、樹脂等を用いることができる。
【０２３５】
上記構成の光変調素子３によれば、光結合要素２１を固定電極１３１と可動電極との間の電気機械動作によって変形させることで、光結合要素２１の光の透過率を変化させることができる。電気機械動作としては、電圧印加による静電気力を利用する方式、電圧印加による圧電効果を利用する方式、電流印加による電磁気力を利用する方式等があるが、ここでは、静電気力を利用する方式を用い、光結合要素２１を固定電極１３１側に撓ませて、光結合要素２１からの光透過率を変更するように構成している。
【０２３６】
また、平面表示素子の光変調素子３に対向配置された前面板８は、青色フィルタ５、緑色変換フィルタ６、赤色変換フィルタ７の三原色の帯状の色変換フィルタを設けてある。また、これら帯状の色変換フィルタの間には、コントラストを向上させるブラックマトリクス９を配置している。
【０２３７】
ここで、上記構成の平面表示素子の駆動方法について説明する。
図３６は平面表示素子の光変調素子を単純マトリックス駆動する構成を示す説明図である。
この単純マトリックス構成の光変調素子は、平行配列された複数の走査信号電極１４１と、走査信号電極１４１に直交し平行配列された複数の画像信号電極１４３を備え、走査信号電極１４１と画像信号電極１４３との交差部に光変調素子３をそれぞれ配置している。
【０２３８】
このような接続構成により、走査信号電極１４１と画像信号電極１４３とのそれぞれのタイミングを合わせて電気信号を送ることにより、目的とする複数の光変調素子３を同時に光変調することができる。具体的には、走査信号電極１４１と画像信号電極１４３の電圧がともに０［Ｖ］のときは遮光状態となり、いずれか一方の電極電圧が駆動電圧Ｖａ［Ｖ］のときは、光透過状態になる。
【０２３９】
つまり、図３５に示す光変調素子において、走査信号電極１４１に相当する固定電極１３１と、画像信号電極１４３に相当する光結合要素２１が同電位（０［Ｖ］）である場合には、光結合要素２１は図示した通りの初期状態のようになり、透明基板２の下方から導入される励起光は前面板８側へは出射されずに遮光される。
一方、画像信号電極１４３、即ち、光結合要素２１に画像信号電圧Ｖａが印加され、走査信号電極に０［Ｖ］の電圧が印加された場合は、この画像信号電圧Ｖａの印加された光結合要素２１が静電気力により固定電極１３１側に吸引される。この結果、光変調素子３の光結合要素２１が透明基板２側に近接配置され、透明基板２に導入された励起光が光結合要素２１によって取り出され、前面板８側に出射される。２値の光変調が可能になる。
この基本原理により、図３６に示した単純マトリックス構造で平面配列された光変調素子を駆動することができ、簡単な構造でコストパフォーマンスに優れた構成にできる。
【０２４０】
図３６に示す構成の光変調素子３は、単純マトリックス駆動方式の構成であるが、この他にも、例えば図３７に示すように、各光変調素子にアクティブ素子を設けてアクティブマトリクス駆動方式の構成としてもよい。図３７には、アクティブ素子として、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）素子１４５等の半導体スイッチを画素毎に設けたアクティブマトリックス駆動方式の光変調素子３の構成を示した。この構成によれば、例えば、各光変調素子に接続されたＴＦＴ素子１４５を走査信号電極１４１からの信号によりオンオフ駆動する。これにより、オン状態にあるＴＦＴ素子１４５は、そのままの電圧を保ち、画像信号電極１４３と通じることができる。そして、画像信号電極１４３に信号を入力することで、オン状態にあるＴＦＴ素子１４５を有する目的の光変調素子を光透過状態にする一方、オフ状態にあるＴＦＴ素子１４５を有する光変調素子は遮光状態にする。この基本原理により、図３７に示したアクティブマトリクス構造で平面配列された光変調素子を駆動することができ、高コントラストで高速表示が可能となる。
【０２４１】
次に、上記単純マトリクス駆動方式とアクティブマトリクス駆動方式による具体的な駆動方法について順次説明する。
まず、単純マトリクス駆動方法について説明する。
図３８は印加電圧と光透過率との特性を示したヒステリシス線図、図３９はマトリクス状に配列された光変調素子の平面図、図４０は走査電極電圧及び信号電極電圧の組み合わせと、光変調素子の電極間電圧との関係を示した説明図、図４１は２行２列のマトリクスに対する駆動信号を示す図である。
最初に光結合要素２１の印加電圧と光透過率との特性を説明する。可動薄膜である光結合要素２１を静電気応力によって変形及び弾性復帰させる場合、印加電圧Ｖgsと、光結合要素２１の変位との関係は、ヒステリシス特性を示す。従って、印加電圧Ｖgsと、光透過率Ｔとの関係も、図３８に示すようなヒステリシス特性を示す。
【０２４２】
このヒステリシス特性によれば、光変調素子は、ＶgsがＶth(L) 以下であると、ＯＦＦ（光遮蔽）状態を維持する。一方、ＶgsがＶs (H) 以上になると、光変調素子は、ＯＮ（光透過）状態に飽和する。その後、光変調素子は、ＶgsがＶth(H) 以上ではＯＮ状態を維持したままとなる。そして、ＶgsがＶs (L) 以下になると、光変調素子は、ＯＦＦ状態に飽和する。即ち、光変調素子は、ＶgsがＶth(H) とＶth(L) との範囲であれば、Ｖgsの履歴によって、Ｔ（ＯＮ）、Ｔ（ＯＦＦ）の二つの状態を得ることができる。なお、Ｖgsの極性が負の場合には、上述と縦軸対象の特性になる。
【０２４３】
本実施形態では、図３９に示すように、二行二列のマトリクスの各交点Ｔr(1,1)、Ｔr(1,2)、Ｔr(2,1)、Ｔr(2,2)に光変調素子を配置した構成としてある。各光変調素子は、一画素の領域（単色表示の場合）に対応させてある。
同じ行に配列された光変調素子のそれぞれの電極は、共通に接続して走査信号電極（走査電極）１４１としてある。この走査電極１４１には電位Ｖg が印加される。また、同じ列に配列された光変調素子のそれぞれの電極は、共通に接続して画像信号電極（信号電極）１４３としてある。この信号電極１４３には電位Ｖb が印加される。従って、各光変調素子に印加される電極１４１，１４３間の電圧Ｖgsは（Ｖb −Ｖg ）となる。
【０２４４】
この光変調素子を駆動するには、走査信号に従って、行順次に走査電極１４１を走査し、これと同期させ、走査された電極１４１に対応するデータ信号を信号電極１４３に印加する。
【０２４５】
ここで、走査電極１４１には、リセット信号、選択信号、非選択信号の三種類の信号（電圧）が与えられる。
リセット信号は、光変調素子の以前の状態に拘わらず、その行の光変調素子をＯＦＦ（光遮蔽）にする。この時の走査電極１４１の電圧をＶg(r)とする。
【０２４６】
選択信号は、その行にデータを書き込むための信号である。この信号と同時に、信号電極１４３に印加された電圧に従い、光変調素子の状態がＯＮ（光透過）又はＯＦＦ（光遮蔽）に決定される。この時の走査電極１４１の電圧をＶg(s)とする。
【０２４７】
非選択信号は、選択がなされないときの信号である。この時、信号電極１４３の電圧に拘わることなく光変調素子の状態は変わらず、前の状態が維持される。この時の走査電極１４１の電圧をＶg(ns) とする。
【０２４８】
一方、信号電極１４３には、ＯＮ信号、ＯＦＦ信号の二種類の信号（電圧）が与えられる。ＯＮ信号は、選択された行の光変調素子に対し、光変調素子の状態をＯＮ（光透過）にする。この時の信号電極１４３の電圧をＶb(on) とする。
【０２４９】
ＯＦＦ信号は、選択された行の光変調素子に対し、光変調素子の状態をＯＦＦ（光遮蔽）にする。但し、実際には、直前で光変調素子がリセットされることを想定しているので、光変調素子の状態をＯＦＦ（光遮蔽）にする場合は、前の状態（ＯＦＦ状態）を維持する信号でよい。この時の信号電極１４３の電圧をＶb(off)とする。
【０２５０】
以上の走査電極電圧、信号電極電圧の組み合わせにより、光変調素子の電極間電圧Ｖgsは、以下の６種類の電圧に分けられる。また、電極間電圧Ｖgsと透過率の特性により、特定の条件が与えられることになる。
【０２５１】
Ｖgs(r-on) ＝Ｖb(on) −Ｖg(r) ≦ Ｖs(L)
Ｖgs(r-off) ＝Ｖb(off)−Ｖg(r) ≦ Ｖs(L)
Ｖgs(s-on) ＝Ｖb(on) −Ｖg(s) ≧ Ｖs(H)
Ｖgs(s-off) ＝Ｖb(off)−Ｖg(s) ≦ Ｖth(L)
Ｖgs(ns-on) ＝Ｖb(on) −Ｖg(ns) ≦ Ｖth(L)
Ｖgs(ns-off)＝Ｖb(off)−Ｖg(ns) ≧ Ｖth(H)
【０２５２】
以上の条件をまとめると、図４０に示す通りになる。
例えば、走査電極電圧Ｖg がリセットＶg(r)で、信号電極電圧Ｖb がＯＮ即ちＶb(on) の場合には、Ｖs(H)より大きい値の信号電極電圧Ｖb （図中太実線１５１）から、Ｖs(H)とＶth(L) との間の値の走査電極電圧Ｖg （図中太実線１５３）が減算され、その値（図中太実線１５５）がＶs(L)より小さくなる。
即ち、
Ｖgs(r-on)≦Ｖs(L)
となる。
その他同様にして、６種類の電圧が定まることになる。
【０２５３】
次に、このような電極間電圧Ｖgsと透過率との関係を利用して、光変調素子を２次元に配置したマトリクスにデータを書き込む方法を説明する。
マトリクスとしては、図３９に示した２行２列のマトリクスを用いてデータの書き込みを行う。マトリクスの各光変調素子には、以下のＯＮ、ＯＦＦデータを書き込むものとする。
Ｔr(1,1) → ＯＮ Ｔr(1,2) → ＯＦＦ
Ｔr(2,1) → ＯＦＦ Ｔr(2,2) → ＯＮ
【０２５４】
この場合、マトリクスには、図４１に示すような波形の電圧を印加する。
例えば、１行目Ｖg(1)には、
ｔ１：リセット電圧 ｔ２：選択電圧
ｔ３：非選択電圧 ｔ４：非選択電圧
を印加する。
１列目Ｖb(1)には、
ｔ１：don't care ｔ２：ＯＮ電圧
ｔ３：ＯＦＦ電圧 ｔ４：don't care
を印加する。
これにより、各光変調素子に所望のデータが行順次で書き込まれる。
【０２５５】
即ち、例えば上述の１行１列目のマトリクスＴr(1,1)の場合では、
Ｖgs：Ｖb(1)−Ｖg(1)であるから、
ｔ１：リセット電圧（ＯＦＦ） ｔ２：ＯＮ
ｔ３＝状態維持 ｔ４＝状態維持となる。
【０２５６】
従って、ｔ２におけるＯＮの状態が維持（記憶）され、その結果、マトリクスＴr(1,1)は光変調素子が「ＯＮ」の状態となる。その他、同様にして、他のマトリクスＴr(1,2)は「ＯＦＦ」、Ｔr(2,1)は「ＯＦＦ」、Ｔr(2,2)は「ＯＮ」の状態となる。
【０２５７】
次に、アクティブマトリクス駆動方法について説明する。
図４２は半導体トランジスタによるアクティブマトリクスの等価回路図である。光変調素子では、ゲート電極１５７に接続された走査信号電極１４１にＴＦＴ１４５を導通させる電圧Ｖg-onが印加される。そして、ドレイン電極１５８に接続された信号電極１４３に所望の画像信号電圧Ｖb が印加されると、ドレイン電極１５８とソース電極１５９とが導通する。従って、画像信号電圧が、画素電極１６１に印加されることになる。これにより、共通電極１６３の電位Ｖcom と画素電極１６１の電位との電圧差Ｖgs（Ｖb −Ｖcom ）により静電気応力が働き、所望の光変調を行う。
この後に他の行の走査のため、ＴＦＴ１４５が非導通となっても上述の光変調状態は維持され、複数の行のマトリクス変調が可能となる。
【０２５８】
つまり、図４２に示すｎ行×ｍ列のアクティブマトリクスの構成例では、走査信号電極１４１に順次走査電圧を印加し、これに接続されているＴＦＴ１４５を一斉にオン状態とする。同時に、画像信号電極１４３から画像信号電圧Ｖb を印加し、ＴＦＴ１４５を通して各画素の静電容量に電荷を蓄積する。１行の走査が終了すると、ＴＦＴ１４５はオフ状態となり、画素容量に蓄積された電荷はそのまま保持されることになる。
【０２５９】
図４３は２行２列に配列した半導体アクティブマトリクスの等価回路図、図４４は半導体アクティブマトリクスの各光変調素子に異なる波形の電圧を印加してデータを書き込む方法の説明図である。なお、光変調素子の印加電圧Ｖgsと光透過率Ｔの特性は、上述の単純マトリクス駆動で説明した特性（図３８参照）と同じとする。
【０２６０】
ここで、図４３に示す２行２列の画素電極に、以下の電位を書き込む具体的な駆動方法を説明する。
Ｔr(1,1)＝ＯＮ Ｔr(1,2)＝ＯＦＦ
Ｔr(2,1)＝ＯＦＦ Ｔr(2,2)＝ＯＮ
【０２６１】
同じ行に配列したＴr(1,1)、Ｔr(1,2)、又はＴr(2,1)、Ｔr(2,2)の画素電極１６１は、共通の走査信号電極１４１に接続してある。この走査信号電極１４１には、電位Ｖg が印加される。また、同じ列に配列したＴr(1,1)、Ｔr(2,1)、又はＴr(1,2)、Ｔr(2,2)の画素電極は、それぞれ共通の画像信号電極に接続してある。この画像信号電極には、電位Ｖb が印加される。
【０２６２】
このように構成したアクティブマトリクス素子を駆動するには、走査信号に従って、行順次にＴr(1,1)、Ｔr(1,2)、又はＴr(2,1)、Ｔr(2,2)の画素電極を走査し、これと同期させ、走査された画素電極に対応するデータ信号を列に配列したＴr(1,1)、Ｔr(2,1)、又はＴr(1,2)、Ｔr(2,2)の画素電極に印加する。
【０２６３】
この際、マトリクスには、図４４に示すような波形の電圧を印加する。
例えば、１行目Ｖg(1)には、
ｔ１：走査ＯＮ（導通）電圧 ｔ２：走査ＯＦＦ（非導通）電圧
を印加する。
【０２６４】
２行目Ｖg(2)には、
ｔ１：走査ＯＦＦ（非導通）電圧 ｔ２：走査ＯＮ（導通）電圧
を印加する。
【０２６５】
１列目Ｖb(1)には、
ｔ１：Ｔr(1,1)へＯＮ（透過）電圧 ｔ２：Ｔr(2,1)へＯＦＦ（遮光）電圧
を印加する。
【０２６６】
２列目Ｖb(2)には、
ｔ１：Ｔr(1,2)へＯＦＦ（遮光）電圧 ｔ２：Ｔr(2,2)へＯＮ（透過）電圧
を印加する。
【０２６７】
これにより、Ｔr(1,1)の電位Ｖgsは、ｔ１で電位がＶs(H)となり、その結果、画素の状態がＯＮとなり、ｔ２以降はＯＮ状態が保持される。
Ｔr(1,2)の電位Ｖgsは、ｔ１で電位がＶs(L)となり、その結果、画素の状態がＯＦＦとなり、ｔ２以降は保持される。
Ｔr(2,1)の電位Ｖgsは、ｔ１で電位がＶs(L)となり、その結果、画素の状態がＯＦＦとなり、ｔ２以降は保持される。
Ｔr(2,2)の電位Ｖgsは、ｔ１で電位がＶs(H)となり、その結果、画素の状態がＯＮとなり、ｔ２以降はＯＮ状態が保持される。
【０２６８】
以上のように、ゲート電極１５７を行順次でＯＮ（導通）にし、それと同期させて信号電極１４３からＯＮ（透過）又はＯＦＦ（遮光）の電位を印加する。その後、ゲート電極１５７をＯＦＦ（非導通）にしても、光変調素子が容量性の場合、画素電極の電位は保持されることとなる。
【０２６９】
［第６実施形態］
【０２７０】
次に、本発明に係る平面表示素子の第６実施形態について説明する。本実施形態は、上述のアクティブマトリクス駆動による構成におけるアクティブ素子を機械的スイッチで構成したものである。
図４５は各光変調素子に設けた機械的スイッチの概念的な構成例を示す平面図、図４６は図４５のＱ−Ｑ断面を示す断面図、図４７は機械的スイッチを用いてアクティブマトリックス構成とした光変調素子の等価回路図である。
【０２７１】
図４５，図４６に示すように、基板１６５上には、ストライプ状の複数の平行な走査信号共通電極１６７を形成してある。基板１６５上には、少なくともこの走査信号共通電極１６７を覆う絶縁層１６９を形成してある。また、基板１６５上には、走査信号共通電極１６７に直交するストライプ状の複数の平行な画像信号電極１４３を形成してある。基板１６５上の走査信号共通電極１６７と画像信号電極１４３とに包囲された領域には、それぞれ光変調素子が配置される。
【０２７２】
走査信号共通電極１６７に沿ってストライプ状に形成された絶縁層１６９上には、複数の支柱１７１を絶縁層１６９の長手方向に沿って等間隔で設けてある。支柱１７１の上端部には、ストライプ状の可動薄膜１７３及び走査信号電極１４１を順次積層して架設してある。可動薄膜１７３は絶縁材料からなる。この可動薄膜１７３と走査信号電極１４１とは、支柱１７１に架設されることで、間隙を挟んで、絶縁層１６９に被覆された走査信号共通電極１６７と対向している。走査信号電極１４１と画像信号電極１４３とは、複数の交差部１７５を有するマトリクス状に配設されている。
【０２７３】
光変調素子の上面には、光結合要素２１に接続される画素電極１７７を形成してある。絶縁層１６９上の画像信号電極１４３の近傍には、この画素電極１７７の一部分１７７ａを延設してある。画像信号電極１４３と、この画素電極１７７の一部分１７７ａとは、図４６に示すように同一高さで、且つ間隙を隔てて平行に配設してある。つまり、非導通状態に配設されている。
【０２７４】
また、可動薄膜１７３の下面には、金属等からなる導電膜１７９を形成してある。導電膜１７９には、アルミ、銅、銀、金等を用いることができる。導電膜１７９は、画像信号電極１４３及び画素電極１７７ａに空隙１８１を介して対向している。可動薄膜１７３、画像信号電極１４３、画素電極１７７（１７７ａ）、導電膜１７９は、マトリクス駆動手段である機械的導電スイッチ１８３を構成している。機械的導電スイッチ１８３は、マトリクス状に配設された走査信号電極１４１と画像信号電極１４３との各交差部１７５に設けられている。
【０２７５】
このように構成された機械的導電スイッチ１８３は、図４６（ａ）に示すように、走査信号共通電極１６７に対して、走査信号電極１４１が同電位であると、可動薄膜１７３は静電気応力を受けず撓まない。従って、画像信号電極１４３と画素電極１７７（１７７ａ）とは、相互の間の抵抗が無限に近く大きく非導通状態を保つ。
一方、図４６（ｂ）に示すように、走査信号共通電極１６７に対して、走査信号電極１４１に電圧を印加すると、可動薄膜１７３が静電気応力によって基板１６５側に撓み、可動薄膜１７３の下方に位置する画像信号電極１４３及び画素電極１７７（１７７ａ）に導電膜１７９が電気的に接触する。これにより、画像信号電極１４３と画素電極１７７との電位が等しくなる。
【０２７６】
また、走査信号電極１４１の電圧をゼロにすると、可動薄膜１７３は弾性力により元の位置に復帰し、画像信号電極１４３及び画素電極１７７（１７７ａ）から離れる。これにより、図４６（ａ）に示す状態となって、画像信号電極１４３と画素電極１７７とは、再び非導通状態となる。
【０２７７】
図４７は機械的導電スイッチ１８３によるアクティブマトリクス構成の等価回路図である。この例に示すｎ行×ｍ列のアクティブマトリクスの構成では、走査信号電極１４１に順次走査電圧を印加し、これに接続されている機械的導電スイッチ１８３を一斉にオン状態とする。同時に、画像信号電極１４３から画像信号電圧Ｖb を印加し、機械的導電スイッチ１８３を通して各画素の静電容量に電荷を蓄積する。１行の走査が終了すると、機械的導電スイッチ１８３はオフ状態となり、画素容量に蓄積された電荷はそのまま保持されることになる。
この後に他の行の走査のため、機械的導電スイッチ１８３が非導通となっても上述の光変調状態は維持され、複数の行のマトリクス変調が可能となる。
【０２７８】
図４８に２行２列に配列した機械的導電スイッチを用いたアクティブマトリクスの等価回路図を示した。また、図４９は可動薄膜のスイッチ特性を示すヒステリシス線図である。
ここで、図４８に示す二行二列の画素電極に、以下の電位を書き込む具体的な駆動方法を場合を説明する。
Ｔr(1,1)＝ＯＮ Ｔr(1,2)＝ＯＦＦ
Ｔr(2,1)＝ＯＦＦ Ｔr(2,2)＝ＯＮ
【０２７９】
走査信号共通電極１６７に対する走査信号電極１４１の電圧をＶg とすると、可動薄膜１７３によるスイッチ特性は、図４９に示すようなヒステリシス特性を有する。即ち、Ｖg がＶg-on以上になると導通（ＯＮ）し、Ｖg-off 以下になると非導通（ＯＦＦ）になる。従って、機械的導電スイッチ１８３は、Ｖg がＶg-onとＶg-off との範囲であれば、Ｖg の履歴によって、ＯＮ、ＯＦＦの二つの状態を得ることができる。
【０２８０】
同じ行に配列したＴr(1,1)、Ｔr(1,2)、又はＴr(2,1)、Ｔr(2,2)の画素電極１７７は、共通の走査信号電極１４１に接続してある。この走査信号電極１４１には、電位Ｖg が印加される。また、同じ列に配列したＴr(1,1)、Ｔr(2,1)、又はＴr(1,2)、Ｔr(2,2)の画素電極１７７は、それぞれ共通の画像信号電極１４３に接続してある。この画像信号電極１４３には、電位Ｖb が印加される。
【０２８１】
このように構成したアクティブマトリクス素子を駆動するには、走査信号に従って、行順次にＴr(1,1)、Ｔr(1,2)、又はＴr(2,1)、Ｔr(2,2)の画素電極１７７を走査し、これと同期させ、走査された画素電極１７７に対応するデータ信号を列に配列したＴr(1,1)、Ｔr(2,1)、又はＴr(1,2)、Ｔr(2,2)の画素電極１７７に印加する。
【０２８２】
この際、マトリクスには、前述の図４４に示すような波形の電圧を印加する。これにより、前述の半導体アクティブマトリクスの場合と同様に、Ｔr(1,1)の電位Ｖgsは、ｔ１で電位がＶs(H)となり、その結果、画素の状態がＯＮとなり、ｔ２以降はＯＮ状態が保持される。
Ｔr(1,2)の電位Ｖgsは、ｔ１で電位がＶs(L)となり、その結果、画素の状態がＯＦＦとなり、ｔ２以降は保持される。
Ｔr(2,1)の電位Ｖgsは、ｔ１で電位がＶs(L)となり、その結果、画素の状態がＯＦＦとなり、ｔ２以降は保持される。
Ｔr(2,2)の電位Ｖgsは、ｔ１で電位がＶs(H)となり、その結果、画素の状態がＯＮとなり、ｔ２以降はＯＮ状態が保持される。
【０２８３】
以上のように、走査信号電極１４１を行順次でＯＮにし、それと同期させて画像信号電極１４３から任意の電位を印加する。その後、走査信号電極１４１をＯＦＦにしても、機械的導電スイッチ１８３が容量性の場合、画素電極１７７の電位は保持されることとなる。その他の動作は、従来のトランジスタ形アクティブマトリクス素子と同様である。
【０２８４】
このように、走査信号電極１４１と画像信号電極１４３をマトリクス状に配置した交差部１７５に、機械的導電スイッチ１８３を設け、この機械的導電スイッチ１８３により、静電気力で可動薄膜１７３を撓ませて、機械的動作によって画像信号電極１４３と画素電極１７７とをＯＮ、ＯＦＦさせる。従って、従来、交差部に設けられていたＭＯＳ形等の半導体スイッチに代えて機械的にスイッチ部を作動させることが可能になり、以下に述べる種々の欠点を解決することができる。
【０２８５】
即ち、半導体形成独自の成膜や不純物ドーピング工程が不要となり、パターンニング工程が少なくなると共に、設計条件が緩やかになる。即ち、接合条件、不純物限度を厳密に管理する必要がなくなる。このため、スループットや歩留りが向上し、低コストでの大面積化が可能となる。また、導電膜１７９に金属を使用するので、従来の半導体スイッチ部に比べてキャリア移動度を高くすることができ、高精細・大面積化においても高速応答が期待できる。さらに、機械的導電スイッチ１８３を用いるため、外部からの光入射、水分、酸素、イオン、有機物の侵入に対する悪影響が半導体に比べて小さくなる。従って、これらの外乱による誤動作が生じにくくなり、動作信頼性、耐久性を高めることができる。
【０２８６】
【発明の効果】
本発明に係る平面表示素子によれば、可視光域の波長成分を含む光を出射する光源と、光源からの光の透過率を電気機械動作により制御する２次元マトリクス状に配列された光変調素子と、光変調素子を含む光路前方に表示画素に対応して設けられ少なくとも波長変換機能を有するフィルタを含む発色フィルタとを具備することにより、これを構成する各部材の材料として、ＵＶ耐性に優れた材料でなくても用いることができる。これにより、平面表示素子の設計自由度を向上させ、製造工程の簡略化を図ることができる。
また、本発明に係る平面表示素子の駆動方法では、２次元マトリクス状に配列された光変調素子に対し、行方向に沿って複数配設された走査信号電極と、該走査信号電極に直交して複数配設された画像信号電極とを具備して単純マトリクス駆動されることで、低コストな簡単な構成で画像表示が行える。また、さらに走査信号共通電極を加え、走査された走査信号電極へ光変調素子に接続されたアクティブ素子を介して画像信号電極から信号電圧を印加するといったアクティブマトリクス駆動方式によって表示のための駆動を行うことにより、高コントラストで高速応答可能な表示が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る平面表示素子の概略的な基本構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る平面表示素子の概念的な構成を示す図である。
【図３】光源と全反射光学部材と光結合要素とを示す図である。
【図４】全反射光学部材の具体的な一構成例を示す図である。
【図５】光路変換膜として透過型の回折格子を用いた例を示す図である。
【図６】光路変換膜として光拡散板を用いた例を示す図である。
【図７】光路選択膜の一構成例としての光干渉フィルタの層構成を示す図である。
【図８】光路を変化させる光学要素、光路を選択する光学要素、透明媒質ｕ、透明媒質ｖ、全反射面の前方側の透明媒質ｗがこの順で配置された光学素子に対し、各界面における入射角と各媒質の平均屈折率の関係を示す図である。
【図９】光路選択膜への入射光の入射角度を示す図である。
【図１０】入射光の波長に対する光路選択膜の分光透過率を入射角毎に示したグラフである。
【図１１】屈折による光路選択膜内外の光路を示す図である。
【図１２】波長λに対する分光透過率Ｔの変化を入射角θ毎に示したグラフである。
【図１３】入射角θに対する分光透過率Ｔを波長λ毎に示したグラフである。
【図１４】光路選択膜を液晶膜により構成した例を示す図である。
【図１５】図１４に示す光路選択膜による分光透過率を示すグラフである。
【図１６】屈折により光路を変更する光結合要素を示す図であって、（ａ）はレンズアレイ、（ｂ）はプリズムアレイ、（ｃ）は屈折率分布レンズ体である。
【図１７】取り出した光を拡散又は散乱させる光結合要素を示す図であって、（ａ）は多孔質体、（ｂ）は高屈折率微粒子等の異なる屈折率を有する物質の分散体又は分布体、（ｃ）は表面に凹凸が形成された光拡散体又は光散乱体である。
【図１８】全反射光学部材の他の構成例をそれぞれ示す図である。
【図１９】透明基板を全反射導光板として使用して入射光を側方から導入する構成例を示す図である。
【図２０】発色フィルタに反射膜を設けた一構成例を示す図である。
【図２１】発色フィルタに外部光減衰フィルタを設けた一構成例を示す図である。
【図２２】発色フィルタを光結合要素に接して設けた一構成例を示す図である。
【図２３】発色フィルタを光結合要素内に設けた一構成例を示す図である。
【図２４】第２実施形態の平面表示素子の概略的な構成図を示す図である。
【図２５】干渉型の光変調素子の具体的な構成と動作を示す説明図である。
【図２６】図２５の光変調素子の光強度透過率を示すグラフである。
【図２７】遮光型の光変調素子の具体的な構成と動作を示す説明図である。
【図２８】スライド型の光変調素子の遮光状態における概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。
【図２９】スライド型の光変調素子の透過状態における概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。
【図３０】櫛形の光変調素子を一部切り欠いて示した斜視図である。
【図３１】図３０の光変調素子に対する具体的な駆動方法を説明する図である。
【図３２】第３実施形態に係る平面表示素子の概念的な構成を示す図である。
【図３３】薄膜無機ＥＬを用いて平面光源を構成した一例を示す断面図である。
【図３４】第４実施形態に係る平面表示素子の概念的な構成を示す図である。
【図３５】第５実施形態に係る平面表示素子の光変調素子及び前面板の概念的な構成を示す斜視図である。
【図３６】平面表示素子の光変調素子を単純マトリックス駆動する構成を示す説明図である。
【図３７】各光変調素子にアクティブ素子を設けてアクティブマトリクス駆動する構成を示す説明図である。
【図３８】印加電圧と光透過率との特性を示したヒステリシス線図である。
【図３９】マトリクス状に配列された光変調素子の平面図である。
【図４０】走査電極電圧及び信号電極電圧の組み合わせと、光変調素子の電極間電圧との関係を示した説明図である。
【図４１】２行２列のマトリクスに対する駆動信号を示す図である。
【図４２】半導体トランジスタによるアクティブマトリクスの等価回路図である。
【図４３】２行２列に配列した半導体アクティブマトリクスの等価回路図である。
【図４４】半導体アクティブマトリクスの各光変調素子に異なる波形の電圧を印加してデータを書き込む方法の説明図である。
【図４５】第６実施形態における各光変調素子に設けた機械的スイッチの概念的な構成例を示す平面図である。
【図４６】図４５のＱ−Ｑ断面を示す断面図である。
【図４７】機械的スイッチを用いてアクティブマトリックス構成とした光変調素子の等価回路図である。
【図４８】２行２列に配列した機械的導電スイッチを用いたアクティブマトリクスの等価回路図である。
【図４９】可動薄膜のスイッチ特性を示すヒステリシス線図である。
【図５０】従来の平面表示素子の構成を説明する図である。
【符号の説明】
１ 平面表示素子
２ 透明基板
３ 光変調素子
４ 支柱
５ 青色フィルタ（発色フィルタ）
６ 緑色変換フィルタ（発色フィルタ）
７ 赤色変換フィルタ（発色フィルタ）
８ 前面板
９ ブラックマトリクス
１０ 平面光源
１０ｂ 拡散板
１０ａ 蛍光ランプ
１１ 光源
１３ 光路変換膜
１５ 光路選択膜
１６ 光路選択膜
１７ 全反射光学部材
１９ 全反射面
２１ 光結合要素
４５ 反射膜
４７ 外部光減衰フィルタ
５１ 光変調素子
５３ 下側透明電極
５５ 下側干渉膜
５７ 透明スペーサ
５９ 支柱
６１ 上側干渉膜
６３ 上側透明電極
６５ 可動薄膜
６７ 空隙
７１ 光変調素子
７３ 透明電極
７５ 遮光膜
７７ 絶縁膜
７８ 支柱
７９ 遮光板
８１ 光変調素子
８２ 対向電極
８３ 対向電極
８４ 電極遮光板
８５ 遮光膜
８６ 折れ線バネ
８７ 支持部
９１ 光変調素子
９２ 遮光膜
９３ スペーサ
９４ 格子体
９５ 可動子
９５ｂ 絶縁膜
９５ｃ 導電膜
９６ スリット
９７ 光変調領域
１０１ 平面光源
１０５ カソード電極
１０７ 有機ＥＬ層
１０９ アノード電極
１１１ 透明基板
１１２ 電源
１１３ 電極層
１１５ 絶縁層
１１７ 蛍光体薄膜層
１１９ 透明電極層
１２１ 平面光源
１３１ 固定電極
１３３ 絶縁膜
１３５ 支柱
１４１ 走査信号電極
１４３ 画像信号電極
１４５ アクティブ素子
１５７ ゲート電極
１５８ ドレイン電極
１５９ ソース電極
１６１ 画素電極
１６３ 共通電極
１６５ 基板
１６７ 走査信号共通電極
１６９ 絶縁層
１７１ 支柱
１７３ 可動薄膜
１７５ 交差部
１７７ 画素電極
１７９ 導電膜
１８１ 空隙
１８３ 機械的導電スイッチ
１００，２００，３００，４００ 平面表示素子

Claims (53)

1. 可視光域の波長成分を含む光を出射する光源と、前記光源からの光の透過率を電気機械動作により制御する２次元マトリクス状に配列された光変調素子と、前記光変調素子を含む光路前方に表示画素に対応して設けられ少なくとも波長変換機能を有するフィルタを含む発色フィルタとを具備することを特徴とする平面表示素子。
2. 前記発色フィルタが、これに入射する光を吸収すると共に、前記入射する光の波長とは異なる波長の可視光を光路前方に出射する色変換フィルタであることを特徴とする請求項１記載の平面表示素子。
3. 前記色変換フィルタが、少なくとも、前記入射する光を吸収して緑色光を励起発光する蛍光材料を有することを特徴とする請求項２記載の平面表示素子。
4. 前記色変換フィルタが、少なくとも、前記入射する光を吸収して赤色光を励起発光する蛍光材料を有することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の平面表示素子。
5. 前記色変換フィルタが、少なくとも、前記入射する光を吸収して青色光を励起発光する蛍光材料を有することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項記載の平面表示素子。
6. 前記発色フィルタが、これに入射する光のうち、特定の色成分のみを透過させて光路前方に出射する色フィルタであることを特徴とする請求項１記載の平面表示素子。
7. 前記色フィルタが、少なくとも、前記入射される光に対して緑色成分のみを透過させることを特徴とする請求項６記載の平面表示素子。
8. 前記色フィルタが、少なくとも、前記入射される光に対して赤色成分のみを透過させることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の平面表示素子。
9. 前記色フィルタが、少なくとも、前記入射される光に対して青色成分のみを透過させることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１項記載の平面表示素子。
10. 前記色フィルタが、光拡散機能を有することを特徴とする請求項６〜請求項９のいずれか１項記載の平面表示素子。
11. 前記発色フィルタが、前記光変調素子から離間して配置されたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項記載の平面表示素子。
12. 前記色変換フィルタと前記光変調素子との間に、前記光源からの入射光の少なくとも一部を透過し、前記色変換フィルタの励起発光光を反射する反射膜を備えたことを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか１項記載の平面表示素子。
13. 前記発色フィルタの光路前方に、外部光を減衰させる外部光減衰フィルタを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１項記載の平面表示素子。
14. 前記外部光減衰フィルタが、ＮＤフィルタ又は偏光フィルタであることを特徴とする請求項１３記載の平面表示素子。
15. 前記光源から出射する光が、少なくとも４００ｎｍ〜５２０ｎｍの波長域内に主波長を有する可視光であることを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか１項記載の平面表示素子。
16. 前記光源から出射する光が、少なくとも青色光を含むことを特徴とする請求項１５記載の平面表示素子。
17. 前記光源が、蛍光ランプ、ＬＥＤ、レーザ、有機ＥＬ、薄膜無機ＥＬ、ＦＥＤのいずれかであることを特徴とする請求項１５又は請求項１６記載の平面表示素子。
18. 前記光変調素子が、静電気を利用して可動薄膜を電気機械動作させることで光透過率を制御することを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか１項記載の平面表示素子。
19. 前記発色フィルタが、前記可動薄膜に接して、又は可動薄膜内に設けられていることを特徴とする請求項１８記載の平面表示素子。
20. 導入した入射光の少なくとも一部が層の界面で全反射する一方、光路前方には前記入射光が実質的に出射しない特性を有する全反射光学部材と、
    前記全反射光学部材の全反射面側に配設すると共に前記全反射面から入射光を選択的に結合させて取り出す光結合要素とを備え、
    前記光変調素子が、前記可動薄膜の変位により前記光結合要素を移動させて、近接光の透過と全反射による遮光とによって光透過率を制御することを特徴とする請求項１８記載の平面表示素子。
21. 前記光源が平面光源であり、全反射光学部材へ平面状の光を入射することを特徴とする請求項２０記載の平面表示素子。
22. 前記全反射光学部材が、該全反射光学部材内に光路を変化させる光路変換膜が配置され、前記全反射光学部材に導入された面状の入射光の少なくとも一部が光路変換膜に導入され、この導入された入射光の実質的全てが前記全反射光学部材の構成する層の界面で全反射により反射されることを特徴とする請求項２１記載の平面表示素子。
23. 前記全反射光学部材が、該全反射光学部材内に光路を選択する光路選択膜が配置され、前記全反射光学部材に導入された面状の入射光の少なくとも一部が光路選択膜に導入され、この導入された入射光の実質的全てが前記全反射光学部材の構成する層の界面で全反射により反射されることを特徴とする請求項２１記載の平面表示素子。
24. 前記全反射光学部材が、該全反射光学部材の厚さ方向の入射光導入側から、光路を変化させる光路変換膜と、光路を選択する光路選択膜とがこの順で配置され、前記光路変換膜へ面状に入射光を導入した際に、導入された入射光の少なくとも一部が光路選択膜に導入され、この導入された入射光の実質的全てが前記光変調素子の構成する層の界面で全反射により反射されることを特徴とする請求項２１記載の平面表示素子。
25. 前記光路変換膜と前記光路選択膜とが、光学的に接触していることを特徴とする請求項２４記載の平面表示素子。
26. 前記光路変換膜と前記光路選択膜とが、屈折率が１より大きい媒質を介して光学的に接触していることを特徴とする請求項２４記載の平面表示素子。
27. 全反射光学部材の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路変換膜を配置したことを特徴とする請求項２４記載の平面表示素子。
28. 全反射光学部材の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路選択膜を配置したことを特徴とする請求項２４記載の平面表示素子。
29. 全反射光学部材の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路変換膜と前記光路選択膜をこの順で配置したことを特徴とする請求項２４記載の平面表示素子。
30. 前記光路変換膜が、該光路変換膜の平均屈折率をｎｔ、光路前方の全反射界面の前方側媒質の屈折率をｎｗ、光路変換膜の媒質内を進む光の角度をθｔとしたときに、少なくとも、
    ｓｉｎθｔ＞ｎｗ／ｎｔ
    の条件を満たす角度θｔの光を含んで前方に出力することを特徴とする請求項２２又は請求項２４記載の平面表示素子。
31. 前記光路変換膜が、屈折により光路を変化させるものであることを特徴とする請求項２２又は請求項２４記載の平面表示素子。
32. 前記光路変換膜が、レンズアレイ、プリズムアレイ、異なる屈折率が分布した異種屈折率分布体のいずれかであることを特徴とする請求項３１記載の平面表示素子。
33. 前記光路変換膜が、回折により光路を変化させるものであることを特徴とする請求項２２又は請求項２４記載の平面表示素子。
34. 前記光路変換膜が、体積ホログラム、位相変調型回折格子、振幅変調型回折格子のいずれかであることを特徴とする請求項３３記載の平面表示素子。
35. 前記光路変換膜が、光拡散により光路を変化させるものであることを特徴とする請求項２２又は請求項２４記載の平面表示素子。
36. 前記光路変換膜が、多孔質体、異種屈折率分布体又は分散体、表面に凹凸を有する拡散体又は散乱体のいずれかであることを特徴とする請求項３５記載の平面表示素子。
37. 前記光路変換膜が、光反射により光路を変化させるものであることを特徴とする請求項２２又は請求項２４記載の平面表示素子。
38. 前記光路選択膜が、該光路選択膜から出射される透過光の実質的全てが、前記光路選択膜より入射光光路前方の層の界面又は前記光路選択膜の入射光光路前方の界面における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は選択的に反射されて透過されない性質を有することを特徴とする請求項２３又は請求項２４記載の平面表示素子。
39. 前記光路選択膜が、該光路選択膜の平均屈折率をｎｓ、光路前方の全反射界面の前方側媒質の屈折率をｎｗ、光路選択膜の媒質内を進む光の角度をθｓとしたときに、
    ｓｉｎθｓ＞ｎｗ／ｎｓ
    の条件を満たす角度θｓの光を実質的全て透過させることを特徴とする請求項２３又は請求項２４記載の平面表示素子。
40. 前記光路選択膜が、入射光の波長域に対して選択的に反射する機能を有し、前記光路選択膜への入射光の入射角が該光路選択膜の面に対して浅い角度となるに従って、選択的に反射される入射光の波長が短波長側にシフトすることを特徴とする請求項２３又は請求項２４記載の平面表示素子。
41. 前記光路選択膜への入射光の入射角が、入射光光路前方の全反射界面への入射角を全反射臨界角以下にするときに、前記光路選択膜が前記入射光の実質的全てを選択的に反射することを特徴とする請求項２３又は請求項２４記載の平面表示素子。
42. 前記光路選択膜が、誘電体多層膜を含む光干渉フィルタであることを特徴とする請求項２３又は請求項２４記載の平面表示素子。
43. 前記光路選択膜が、コレステリック液晶、体積ホログラムを含むブラッグ反射フィルタであることを特徴とする請求項２３又は請求項２４記載の平面表示素子。
44. 前記全反射された入射光の実質的全てが前記全反射光学部材の入射光導入側に戻ることを特徴とする請求項２０〜請求項４３のいずれか１項記載の平面表示素子。
45. 前記全反射光学部材の前記光変調素子とは反対側の表面に有機ＥＬ光源を一体に形成したことを特徴とする請求項２０記載の平面表示素子。
46. 前記光源が点又は線光源であり、全反射光学部材の一方の端部から線状の光を導入して全反射導光させることを特徴とする請求項２０記載の平面表示素子。
47. 前記全反射光学部材を構成する層が、前記入射光の波長域に対して吸収が実質的にないことを特徴とする請求項２０〜請求項４６のいずれか１項項記載の平面表示素子。
48. 前記光変調素子が、前記可動薄膜の変位により光路開口面積を変化させて光透過率を制御するものであることを特徴とする請求項１８記載の平面表示素子。
49. 前記光変調素子が、前記可動薄膜の変位により、前記可動薄膜に設けた干渉膜と、固定側に設けた干渉膜との間隔を変化させて、光透過率を制御するものであることを特徴とする請求項１８記載の平面表示素子。
50. 請求項１〜請求項４９のいずれか１項記載の平面表示素子を駆動する平面表示素子の駆動方法であって、
    ２次元マトリクス状に配列された光変調素子に対し、行方向に沿って複数配設された走査信号電極と、該走査信号電極に直交して複数配設された画像信号電極とが具備され、
    走査された走査信号電極に接続された光変調素子へ、前記画像信号電極から信号電圧を直接印加する単純マトリクス駆動方式により表示のための駆動を行うことを特徴とする平面表示素子の駆動方法。
51. 請求項１〜請求項４９のいずれか１項記載の平面表示素子を駆動する平面表示素子の駆動方法であって、
    ２次元マトリクス状に配列された光変調素子に対し、行方向に沿って複数配設された走査信号電極と、該走査信号電極に直交して複数配設された画像信号電極と、走査信号共通電極とが具備され、
    走査された走査信号電極に接続された光変調素子に対し、アクティブ素子を介して画像信号電極から信号電圧を印加するアクティブマトリクス駆動方式により表示のための駆動を行うことを特徴とする平面表示素子の駆動方法。
52. 前記アクティブ素子として、半導体スイッチを用いることを特徴とする請求項５１記載の平面表示素子の駆動方法。
53. 前記アクティブ素子として、静電気力によって可動薄膜を変位させる機械的導電スイッチを用いることを特徴とする請求項５１記載の平面表示素子の駆動方法。

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