JP2004287191A - カラーフィルタアレイおよび空間光変調装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な波長選択幅を備え、安価に製作できるカラーフィルタアレイおよび空間光変調装置および投射型表示装置を提供する。
【解決手段】異なる屈折率を有する複数の誘電体層３１、３２、３３、３４が厚さ方向に積層され、複数の誘電体層の内、少なくとも２層以上の一の誘電体層３１、３３に、その層厚が場所によって段階的に変化する段差面３５ｒ、３５ｇ、３５ｂ、３６ｒ、３６ｇ、３６ｂが形成されるとともに、層厚が、一の誘電体層３１、３３の所定の位置で、所定の波長の光が一の誘電体層内で反射して共振、透過するように設定されていることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラーフィルタアレイおよび空間光変調装置および投射型表示装置に関する。特に十分な波長選択幅を備え、安価に製作できるカラーフィルタアレイおよび空間光変調装置および投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶装置などに用いられるカラーフィルタとしては、所定の色の光のみを透過して他の色の光を吸収する吸収型フィルタと、所定の色の光のみを透過して他の色の光を反射する反射型フィルタとが知られている。この反射型フィルタの１つに干渉型フィルタがある。
例えば、干渉型フィルタに分類されるカラーフィルタアレイとして、一方の面に第１の反射層連続体が配置された透明ガラス基板と、第１の反射層連続体上の所定位置に配置された複数の同調スペーサ層と、複数のファブリ・ペロー・シングルキャビティ・カラーフィルタを形成するよう複数の同調スペーサ層上に配置された第２の反射層連続体とを備えたものが提案されている。
【０００３】
上記のカラーフィルタアレイの基本設計は、シングルキャビティ・ファブリ・ペローフィルタと呼ばれるものであり、それは単にスペーサ層によって分離された２つのミラーからなる同調キャビティ構造からなる。このフィルタにおいては、スペーサの厚さが共振周波数の波長の２分の１の整数倍であるとき、共振ピークが起こり、特定の波長の色光を透過する。この性質を利用して任意の色光を選択透過するカラーフィルタアレイが設計されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特表平８−５０８１１４号公報 （第９頁、第３図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のカラーフィルタアレイにおいては、反射に用いられる第１の反射層連続体は多層膜で構成されているが、共振器として用いられる同調スペーサ層が単層構造である。そのため、同調スペーサ層の厚さおよび同調スペーサ層と反射層連続体との屈折率の組み合わせにより決まる共振可能な光の波長範囲が限られる。つまり、波長選択幅が狭くなるという問題があった。
【０００６】
また、このカラーフィルタアレイは、集積回路デバイスの製造に用いられる従来のリフトオフ法、もしくはフォトマスキングとエッチングを用いる方法などで製作されている。しかし、これらの製作方法を用いても、反射層連続体を有する異なる厚さの共振器を形成するためには多くの工程が必要になり、製作にコストがかかってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、十分な波長選択幅を備え、安価に製作できるカラーフィルタアレイおよび空間光変調装置および投射型表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明カラーフィルタアレイは、異なる屈折率を有する複数の誘電体層が厚さ方向に積層され、前記複数の誘電体層の内、少なくとも２層以上の一の誘電体層に、その層厚が場所によって段階的に変化する段差面が形成されるとともに、前記層厚が、前記一の誘電体層の所定の位置で、所定の波長の光が前記一の誘電体層内で反射して共振、透過するように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明のカラーフィルタアレイは、さまざまな波長の光を含んだ白色光が上記一の誘電体層に入射し、一の誘電体層の境界面で一部の白色光は透過し、残りの白色光は反射する。反射した白色光は再び境界面で一部が透過し残りが反射することを繰り返すが、一の誘電体層の層厚と屈折率とが共振条件と合致する波長の光は、共振を起こし一の誘電体層からの透過量が増加する。さらに、異なる屈折率の少なくとも２層以上の一の誘電体層を備えているので、一の誘電体層の層厚と屈折率との組み合わせが従来のカラーフィルタアレイよりも多くなり共振、透過させられる波長範囲、つまり波長選択幅を広くすることができる。
また、上記一の誘電体層は、層厚が段階的に変化する段差面を有する形状という比較的簡単な形状であるので、その製造方法も例えばプレス成型など安価な製造方法を採用することができ、安価に製作することができる。
【００１０】
上記の構成を実現するために、より具体的には、段差面が一の誘電体の一方の面に形成されているとともに、一の誘電体の他方の面が平面形状に形成され、段差面を埋めるように二の誘電体層が形成され、二の誘電体の段差面に接していない他方の面を平面形状に形成することができる。
【００１１】
上記の構成にしたことにより、一の誘電体層と二の誘電体層とを隙間なく積層させ一の誘電体層と二の誘電体層との組とすることができる。例えば、この一の誘電体層と二の誘電体層との組は、二の誘電体層の一方の面にプレス加工等の安価な方法により、一の誘電体の段差面と面対称な凹なる段差形状を形成し、その段差形状の上に蒸着または液体を流し込む等の方法により一の誘電体層を形成して安価に製造することができる。
そして、一の誘電体層と二の誘電体層との組の外側の面が平面形状に形成されているので、複数組の誘電体層の外側の面同士を容易に貼り合せることができ、安価に多層のカラーフィルタアレイを製造することができる。
【００１２】
上記本発明のカラーフィルタアレイにおいては、半透過性の反射層を、一の誘電体層の一方の面および他方の面に備えることができる。より望ましくは、上記反射層が金属膜で形成されていることが望ましい。
上記反射層を備えることにより、一の誘電体層内での実効的な反射回数が増えて干渉による共振の効果が大きくなり、透過する光の波長が狭くなりカラーフィルタアレイとしてより好ましい特性を示すことができる。
また、反射層としては、屈折率の異なる誘電体層を交互に配列した多層膜ミラーも知られているが、多層膜ミラーの場合は屈折率の異なる誘電体層を多層に積層させねばならず、その製作に多くの工程が求められ製造に費用がかかっている。それに比べて、金属膜の場合は例えば蒸着を用いてもその工程数は少なく、安価に製造することができる。
【００１３】
また、表示領域に入射した光を空間的に変調して出力する空間光変調装置に上記本発明のカラーフィルタアレイを備えることができる。また、前記空間光変調装置として、互いに対向する２枚の基板間に液晶を挟持する液晶装置を適応することができる。
空間光変調装置が上記カラーフィルタアレイを備えることにより、空間光変調装置が表示できる色光の波長範囲を広げることができ、かつ安価に製作することができる。
【００１４】
光源と、光源からの光を変調する光変調手段と、光変調手段によって変調された光を投射する投射手段とを備えた投射型表示装置の光変調手段に、上記本発明の空間光変調装置を備えることができる。
投射型表示装置の光変調手段に上記空間光変調装置が備えられることにより、光変調手段により合成される画像の色光の波長範囲を広げることができ、かつ安価に製作することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の第１の実施の形態について図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施の形態の投射型表示装置１０の概略構成図である。図１において、１１は光源、１２はロッドインテグレータ、１３はコンデンサレンズ系、１４はカラーフィルタアレイ、１６は空間光変調装置（光変調手段）、１７は投射レンズ（投射手段）である。なお、以下の実施の形態においては、本発明に係る空間光変調装置として透過型の液晶装置を例示して示す。
【００１６】
本実施の形態の投射型表示装置１０は、図１に示すように、白色光を射出する光源１１と、光源１１から射出された白色光の輝度分布を均一にするロッドインテグレータ１２と、輝度分布を均一にされた白色光を平行光に変換するコンデンサレンズ系１３と、平行光に変換された白色光をＲＧＢの色光に分光するカラーフィルタアレイ１４と、分光された各色光を変調する液晶装置１６と、変調された各色光をスクリーンＳに投射する投射レンズ１７とから概略構成されている。
【００１７】
光源１１には、図１に示すように、白色光を射出するメタルハライド等のランプ２１と、射出された白色光を反射するリフレクタ２２とが備えられている。
ロッドインテグレータ１２としては、透明な棒状の導光体（例えば、ガラス棒）、もしくは内面が反射面とされた管状の導光体（例えば、複数の反射ミラーを内側に向けて管状に配置した万華鏡）などが用いられている。
コンデンサレンズ系１３には、ロッドインテグレータ１２から入射した光がカラーフィルタアレイ１４に平行光となって入射するように、コンデンサレンズ２５ａおよびコンデンサレンズ２５ｂが備えられている。
【００１８】
図２は、本実施の形態におけるカラーフィルタアレイ１４および液晶装置１６の概略図であり、図３は、本実施の形態におけるカラーフィルタアレイ１４および液晶装置１６の拡大断面図である。
カラーフィルタアレイ１４は、図２および図３に示すように、屈折率ｎ１の媒質からなる第１の誘電体層３１と、屈折率ｎ２の媒質からなる第２の誘電体層３２と、屈折率ｎ３の媒質からなる第３の誘電体層３３と、屈折率ｎ４の媒質からなる第４の誘電体層３４とが積層されている。
【００１９】
第１の誘電体層３１には、層厚ｔｒ１の段差面３５ｒ、層厚ｔｇ１の段差面３５ｇ、層厚ｔｂ１の段差面３５ｂが形成され、これら段差面の配置は後述する画素４３ｒ、４３ｇ、４３ｂにそれぞれ対応してストライプまたはマトリクス状に配置されている。また、第３の誘電体層３３にも同様に、層厚ｔｒ３の段差面３６ｒ、層厚ｔｇ３の段差面３６ｇ、層厚ｔｂ３の段差面３６ｂが形成され、これら段差面の配置は後述する画素４３ｒ、４３ｇ、４３ｂにそれぞれ対応してストライプまたはマトリクス状に配置されている。
【００２０】
第２の誘電体層３２は、段差面３５ｒ、３５ｇ、３５ｂを埋める形状に形成され、第４の誘電体層３４も同様に、段差面３６ｒ、３６ｇ、３６ｂを埋める形状に形成されている。
また、層厚ｔｒ１およびｔｒ３は、白色光のうちＲの波長成分をもつ色光がカラーフィルタアレイ１４を透過するように設定され、層厚ｔｇ１およびｔｇ３は、白色光のうちＧの波長成分をもつ色光がカラーフィルタアレイ１４を透過するように、層厚ｔｂ１およびｔｂ３は、白色光のうちＢの波長成分をもつ色光がカラーフィルタアレイ１４を透過するように設定されている。
【００２１】
液晶装置１６には、図２および図３に示すように、画素スイッチング用素子として薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、ＴＦＴと略記する）を用いたＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モードのアクティブマトリクス方式の透過型の液晶セルが使用されている。
液晶装置１６は、光源１１側および投射レンズ１７側に配置された基板４１ａ、４１ｂと、基板４１ａに設けられたコモン電極４２と、基板４１ｂに設けられた画素電極４３と、コモン電極４２および画素電極４３間の電圧を制御する薄膜トランジスタ４４と、コモン電極４２および画素電極４３間に封入された液晶４５とから概略構成されている。
画素電極４３は液晶装置１６の表示領域に配列されるとともに、Ｒに対応した画素４３ｒ、Ｇに対応した画素４３ｇ、Ｂに対応した画素４３ｂが画像表示の１つの基本単位として構成されている。
【００２２】
次に、上記の構成からなる投射型表示装置１０における作用について説明する。
ランプ２１が発光することで周囲に射出された白色光は、図１に示すように、リフレクタ２２に反射してロッドインテグレータ１２内に入射される。ロッドインテグレータ１２内に入射された白色光は、ロッドインテグレータ１２内で内面反射を繰り返し、射出端面から射出される時点では照度が均一化されて、射出側端面から射出される。
ロッドインテグレータ１２から射出された白色光は、コンデンサレンズ２５ａおよびコンデンサレンズ２５ｂを透過することにより平行光となり、カラーフィルタアレイ１４に向けて射出される。
【００２３】
カラーフィルタアレイ１４に入射された白色光は、まず第１の誘電体層３１に入射し第１の誘電体層３１の境界面において屈折率の違いにより決まる反射率で反射し、反射しなかった光は透過する。第１の誘電体層３１内で反射を繰り返す白色光のうちの屈折率ｎ１および層厚ｔｒ１、ｔｇ１、ｔｂ１が共振条件と合致する波長の色光が、共振を起こし第１の誘電体層３１を透過する。
【００２４】
第１の誘電体層３１を透過した各色光は、第２の誘電体層３２を透過して第３の誘電体層３３に入射する。第３の誘電体層３３に入射した各色光は、第１の誘電体層３１の時と同様に、屈折率ｎ３および層厚ｔｒ３、ｔｇ３、ｔｂ３が共振条件と合致する波長の色光Ｒ、Ｇ、Ｂが、共振を起こし第３の誘電体層３３を透過し、第４の誘電体層３４を透過する。
【００２５】
カラーフィルタアレイ１４により分光された各色光Ｒ、Ｇ、Ｂは、液晶装置１６の各色光に対応した画素４３ｒ、４３ｇ、４３ｂにそれぞれ入射される。
液晶装置１６は、各色光に対応した画素４３ｒ、４３ｇ、４３ｂごとに制御駆動されるので、各色光を選択変調して透過させることにより画像が合成される。液晶装置１６から射出された光は、図１に示すように、投射レンズ１７に入射されて投射スクリーンＳに向けて射出される。
【００２６】
また、次にカラーフィルタアレイ１４の製作方法について説明する。
まず、板状形状の第２の誘電体層３２をプレス加工することにより、第１の誘電体層３１の段差面３５ｒ、３５ｇ、３５ｂに対応した段差面を第２の誘電体層３２の一方の面に形成する。
そして、第２の誘電体層３２の一方の面に、蒸着により第１の誘電体層３１を形成するか、液体の誘電体を流し込み固体化させて第１の誘電体層３１を形成して、第１の誘電体層３１および第２の誘電体層３２の組を作成する。
【００２７】
第３の誘電体層３３および第４の誘電体層３４の組についても第１の誘電体層３１および第２の誘電体層３２の組と同様にプレス加工等により作成される。
そして、第１の誘電体層３１および第２の誘電体層３２の組と、第３の誘電体層３３および第４の誘電体層３４の組とを、段差面３５ｒ、３５ｇ、３５ｂおよび段差面３６ｒ、３６ｇ、３６ｂがそれぞれ対応するように張り合わせる。
【００２８】
上記の構成によれば、第１の誘電体層３１の屈折率ｎ１および各層厚ｔｒ１、ｔｇ１、ｔｂ１と、第３の誘電体層３２の屈折率ｎ３および各層厚ｔｒ３、ｔｇ３、ｔｂ３との組み合わせにより共振、透過させる光の波長選択幅を広くすることができる。
そのため、液晶装置１６において合成できる画像の色の波長幅が広がり、投射型表示装置１０が投射できる画像の色の波長幅を広げることができる。
【００２９】
また、第２の誘電体層３２に段差面３５ｒ、３５ｇ、３５ｂに対応した段差をプレス加工により形成し、その上に誘電体を蒸着させる、または液体誘電体を流し込む等して第１の誘電体層３１を形成するので、従来例と比較して安価な製造方法を使用することができ、カラーフィルタアレイ１４を安価に製作することができる。
そのため、カラーフィルタアレイ１４を使用する液晶装置１６を安価に製作することができ、投射型表示装置１０を安価に製作することができる。
【００３０】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態について図４を参照して説明する。
本実施の形態の投射型表示装置の基本構成は、第１の実施の形態と同様であるが、第１の実施の形態とはカラーフィルタアレイの構成が異なっている。よって、本実施の形態においては、図４を用いてカラーフィルタアレイ周辺のみを説明し、他の部分の説明を省略する。
【００３１】
図４は、本実施形態のカラーフィルタアレイおよび空間光変調装置である液晶装置の拡大断面図である。
カラーフィルタアレイ６０は、図４に示すように、第１の誘電体層３１の光源１１側の面と、第３の誘電体層３３の光源１１側の面と、各段差面３５ｒ、３５ｇ、３５ｂ、３６ｒ、３６ｇ、３６ｂとに半透過性のアルミ膜（反射層）６１が蒸着されている。
【００３２】
次に、上記の構成からなる投射型表示装置１０における作用について説明する。
カラーフィルタアレイ６０に入射された白色光は、まず第１の誘電体層３１に入射し第１の誘電体層３１の境界面においてアルミ膜６１により第１の実施の形態よりも高い反射率で反射し、反射しなかった光は透過する。より高い反射率で反射されるので、第１の誘電体層３１内で繰り返される反射の回数は増加して共振の効果が大きくなり、第１の誘電体層３１を透過する各色光の強度が強くなるとともに透過する各色光の波長幅が狭くなる。
【００３３】
第１の誘電体層３１を透過して第３の誘電体層３３に入射した各色光も同様に、第３の誘電体層３３内で繰り返される反射の回数は増加して共振の効果が大きくなり、第３の誘電体層３３を透過する各色光Ｒ、Ｇ、Ｂの強度が強くなるとともに透過する各色光Ｒ、Ｇ、Ｂの波長幅が狭くなる。
【００３４】
また、次にカラーフィルタアレイ６０の製作方法について説明する。
まず、第１の実施の形態と同様に、板状形状の第２の誘電体層３２の一方の面に段差面３５ｒ、３５ｇ、３５ｂに対応した段差面を形成する。
次に、形成された段差面上にアルミを蒸着させてアルミ膜６１を形成する。
そして、第１の実施の形態と同様に、第２の誘電体層３２の一方の面に第１の誘電体層３１を形成する。その後、第１の誘電体層３１の第２の誘電体層３２に接していない面にアルミを蒸着させてアルミ膜６１を形成させ、第１の誘電体層３１および第２の誘電体層３２の組を完成させる。
【００３５】
第３の誘電体層３３および第４の誘電体層３４の組についても第１の誘電体層３１および第２の誘電体層３２の組と同様に作成され、段差面３５ｒ、３５ｇ、３５ｂおよび段差面３６ｒ、３６ｇ、３６ｂがそれぞれ対応するように張り合わされる。
【００３６】
上記の構成によれば、アルミ膜６１を第１および第３の誘電体膜３１、３３の光の反射面に配置しているので、各誘電体層３１、３３内における実効的な反射回数が増え干渉による共振の効果が大きくなり、透過する光の波長が狭くなりカラーフィルタアレイ６０としてより好ましい特性を示すことができる。
そのため、カラーフィルタアレイ６０を使用する液晶装置１６が合成する画像の色彩の純度を高めることができ、投射型表示装置１０が投射する画像の色彩の純度を高めることができる。
【００３７】
また、アルミ膜６１を反射膜として使用しているので、多層膜ミラーと比較して、その製作に要する工程数が少なくなるためカラーフィルタアレイ６０を安価に作成することができる。
そのため、カラーフィルタアレイ６０を使用する液晶装置１６も安価に作成することができ、投射型表示装置１０も安価に作成することができる。
【００３８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、内部で光を繰り返し反射させる誘電層および反射させない誘電体層の組を複数組積層させたものに適応して説明したが、この誘電体層の組を複数組積層させたものに限られることなく、内部で光を繰り返し反射させる誘電層の間に何も挿入せずに空間とし、誘電体層と空気との屈折率の違いで共振器構造を成立させるものなどに適応することができるものである。
また、上記の実施の形態においては、誘電層が４層積層されたものに適応して説明したが、この誘電層が４層積層されたものに限られることなく、その他複数層積層されたものに適応することができるものである。
また、上記の実施の形態においては、本発明に係る空間光変調装置として透過型の液晶装置を例示して示したが、本発明の技術範囲は透過型の液晶装置に限定されず、例えば反射型の液晶装置、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）等としての形態も含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の投射型表示装置を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のカラーフィルタアレイおよび液晶装置を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態のカラーフィルタアレイおよび液晶装置を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態のカラーフィルタアレイおよび液晶装置を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ 投射型表示装置、１１ 光源、１４、６０ カラーフィルタアレイ、１６液晶装置（光変調手段）、１７ 投射レンズ（投射手段）、３１、３２、３３、３４ 誘電体層、３５ｒ、３５ｇ、３５ｂ、３６ｒ、３６ｇ、３６ｂ 段差面、４１ａ、４１ｂ 基板、４５ 液晶、６１ アルミ膜（反射層）

Claims (7)

1. 異なる屈折率を有する複数の誘電体層が厚さ方向に積層され、
   前記複数の誘電体層の内、少なくとも２層以上の一の誘電体層に、その層厚が場所によって段階的に変化する段差面が形成されるとともに、
   前記層厚が、前記一の誘電体層の所定の位置で、所定の波長の光が前記一の誘電体層内で反射して共振、透過するように設定されていることを特徴とするカラーフィルタアレイ。
2. 前記段差面が前記一の誘電体の一方の面に形成されているとともに、前記一の誘電体の他方の面が平面形状に形成され、
   前記一の誘電体層の前記段差面を埋めるように二の誘電体層が形成され、
   前記二の誘電体層の前記段差面に接していない他方の面が平面形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタアレイ。
3. 半透過性の反射層が、前記一の誘電体層の一方の面および他方の面に備えられていることを特徴とする請求項１および２記載のカラーフィルタアレイ。
4. 前記反射層が、金属膜で形成されていることを特徴とする請求項３記載のカラーフィルタアレイ。
5. 表示領域に入射した光を空間的に変調して出力する空間光変調装置であって、
   請求項１から４のいずれかに記載のカラーフィルタアレイを備えることを特徴とする空間光変調装置。
6. 前記空間光変調装置が、互いに対向する２枚の基板間に液晶を挟持する液晶装置であることを特徴とする請求項５記載の空間光変調装置。
7. 光源と、該光源からの光を変調する光変調手段と、該光変調手段によって変調された光を投射する投射手段とを備えた投射型表示装置であって、
   前記光変調手段が、請求項５および６に記載の空間光変調装置を備えることを特徴とする投射型表示装置。

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