JP2004212673A - 平面表示素子及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精細で、高光利用効率で安価でかつ高速駆動可能で、したがってフリッカのない薄型の表示素子を提供する。
【解決手段】各々独立で制御可能な複数の異なる波長（青、緑、赤）を有する光源４と、該光源からの光の透過率を電気機械的に制御する２次元光変調アレイ（光結合要素６と全反射光学部材２）とからなり、各前記光源を１フィールド期間内で時間順次に点灯させ、これに同期して前記２次元光変調アレイを駆動して光変調する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄型の平面表示素子、マイクロディスプレイ（超小型ディスプレイ）、２次元露光素子（主に可視光に感光する感材露光用など）など、主に可視光を出射する２次元（平面）表示素子、および２次元発光素子及びその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、薄型の平面表示装置としては、種々のものが提案されており、代表的なものに、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。
また、光源光を導光体に導入し、静電気力により可動子を位置変化させて光出射させる平面表示装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特願２００１−２２００４４号
【０００４】
液晶表示装置（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°ねじれた状態にするように配向したネマティ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。この液晶表示装置による表示は、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ためには、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）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。
【０００５】
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表示は、画像情報に基づき、そ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、発生した紫外線により蛍光体を励起発光させて行われる。
【０００６】
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面には、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プ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、エミッタティプ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われる。
【０００７】
有機エレクトロルミネッセンス（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域をすべてカバーすることができ、近年、高輝度・高効率な材料が多く開発され、盛んに研究が行われてきている。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。
【０００８】
無機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）は、電界による衝突励起を利用するもので、小型また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。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Ｅ Ｌディスプレイが既に実用化されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の平面表示装置には、以下に述べる種々の問題があった。ＬＣＤでは、バックライトからの光を、偏光板、透明電極、カラーフィルター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、二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、大面積化が困難とある欠点があった。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った。特に、中間色の視野角依存性を完全に補正することが困難であった。
【００１０】
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高くなると共に、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欠点があった。更に、駆動電圧が高く、駆動ＩＣが高価な欠点もあった。
【００１１】
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った。また、電界放出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。
【００１２】
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を作るには、低温ポリシリコンＴＦＴが必要となり、したがって高コストとなり、さらに、表示均一性が良くなかった。
【００１３】
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回路が必要となり、性能不足である。また、硫化物蛍光体薄膜を用いた薄膜Ｅ Ｌ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Ｅ Ｌ用蛍光体の特性が十分でないため、フルカラー化には適していない。
【００１４】
さらに、上記のカラー表示素子について共通して言えることは、Ｒ、Ｇ及びＢの３画素で１ドットを表示するため、輝度が低くなりかつ精細な画面表示をすることが困難である、ということである。
【００１５】
そこで上記欠点を解決するカラー表示装置として、フィールドシーケンシャル液晶表示装置がよく知られている。これは、Ｒ、Ｇ又はＢの３原色を選択的に発光するバックライト（３波長蛍光管等）と、一対の偏光板で挟持された液晶セルを有し、バックライトからの発光に同期して特定領域を選択的に透光可能として開口することにより該バックライトからの発光を所定の表示パターンで表示する液晶シャッタ表示パネルとを備えたもので、バックライトからの３原色の選択的発光及び液晶シャッター表示パネルの表示パターンを順次、高速で切り換えて、Ｒ、Ｇ又はＢのそれぞれの表示パターンを高速で連続的に時分割方式で重ねて表示することによりカラー表示を行うものである。
例えば、ある特定領域でＲ、Ｇ又はＢの１色のみを表示すれば、その領域ではその色が表示され、他の特定領域でＲ、Ｇ及びＢのうちの２色を順次、高速で切り換えて重ねて表示すれば、その領域では加法混色によりその２色の混色が表示され、さらに他の特定領域でＲ、Ｇ及びＢの３色を順次、高速で切り換えて重ねて表示すれば、その領域では加法混色により３色の混色が表示されることになる。
【００１６】
この液晶シャッタによるフィールドシーケンシャルによれば、カラーフィルタが不要であるため高輝度化に有利となり、またＲ、Ｇ及びＢの３画素で１ドットを表示するカラーフィルタ方式に対し、カラーフィルタ方式の１画素分の領域で１ドットを表示できるため約３倍の高精細な表示が可能となる。
このように、フィールドシーケンシャルの駆動をすることにより、（１）光利用効率が同じ解像度では３倍有効になる。（２）カラーフィルタが要らない。（３）ＲＧＢで平面分割しなくてよいのでその分画素数が大きくとれるか又は逆に高解像度にできる。（４）前記（３）の前者の場合、画素数が減ればドライバＩＣも減る、といった長所が得られる。
しかしながら、従来公知の液晶シャッタによるフィールドシーケンシャルでは、液晶にこのような高速性がないためフリッカーが生じ易く、また、液晶をアクテイブマトリクス駆動するには制御が複雑となるという欠点があるため、上記のフィールドシーケンシャルの有利さを生かすことができなかった。
【００１７】
本発明はこれらの課題を解決するもので、上述のフィールドシーケンシャルの駆動の利点である（１）光利用効率が同じ解像度では３倍有効になる。（２）カラーフィルタが要らない。（３）ＲＧＢで平面分割しなくてよいのでその分画素数が大きくとれ又は高解像度にできる、といった長所が得られるとともに、液晶シャッタの欠点である非高速性と制御複雑性を解決する平面表示素子を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１記載の平面表示素子は、各々独立で制御可能な複数の異なる波長を有する光源と、該光源からの光の透過率を電気機械的に制御する２次元光変調アレイとからなり、各前記光源を１フィールド期間内で時間順次に点灯させ、これに同期して前記２次元光変調アレイを駆動して光変調することを特徴とする。
請求項２記載の平面表示素子は、請求項１記載の平面表示素子において、前記２次元光変調アレイが、静電気により可撓薄膜が変位する全反射式であることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の平面表示素子において、前記２次元光変調アレイが、静電気により可撓薄膜が変位する光干渉式であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の平面表示素子において、前記２次元光変調アレイが、静電気により可撓薄膜が変位する機械式光シャッタであることを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の平面表示素子において、前記光源がバックライト入射型であることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の平面表示素子において、前記光源が導光板又は導波路を有することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項記載の平面表示素子において、前記２次元光変調アレイが単純マトリクスで構成されることを特徴とする。
請求項８記載の発明は、において、 前記２次元光変調アレイがアクティブマトリクスで構成されることを特徴とする。
請求項９記載の発明は、請求項８記載の平面表示素子において、前記２次元光変調アレイがＴＦＴ（薄膜トランジスタ）で駆動構成されることを特徴とする。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項記載の平面表示素子において、前記光源の波長が可視光であることを特徴とする。
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の平面表示素子において、前記光源の波長が青、赤、緑の１色以上であることを特徴とする。
請求項１２記載の発明は、請求項１０又は１１記載の平面表示素子において、前記光源が、蛍光ランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）、レーザ、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）、無機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）の１つ以上であることを特徴とする。
請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の平面表示素子において、前記有機ＥＬが、基板と２次元光変調アレイの間に配置されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項１４記載の平面表示素子の駆動方法の発明は、各々独立で制御可能な複数の異なる波長を有する光源と、該光源からの光の透過率を電気機械的に制御する２次元光変調アレイとからなる平面表示素子の駆動方法において、各前記光源を１フィールド期間内で時間順次に点灯させると共に、これに同期して前記２次元光変調アレイを駆動して光変調することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るもので、フィールドシーケンシャルが適用される全反射型平面表示素子の概念的な構成を示すものである。
本実施形態の表示素子１００は、平面形状の全反射光学部材２と、この全反射光学部材２へＢ（青）Ｇ（緑）Ｒ（赤）の光を時間順次に面状に導入するバックライト型平面光源４と、全反射光学部材２の入射光導入側とは反対側の面に近接可能に配置され可撓薄膜からなる光結合要素６を有してなる。全反射光学部材２と光結合要素６とは光変調素子を構成している。この全反射光学部材２は、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２の光路前方の面（全反射面２２）で全反射により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２の光結合要素６が近接配置された領域（図１において右より２番目の光結合要素６の領域）では、全反射面２２における入射光の全反射条件が崩れ、光結合要素６に入射光が結合して取り出されて光路前方に出射される。一方、全反射光学部材２の全反射面２２で光結合要素６が近接していない領域（図１において上記右より２番目の光結合要素６以外の領域）では、入射光が全反射され、実質的にこの全反射光学部材２を透過して光路前方に出射することはない。
【００２３】
上記光結合要素６は、全反射光学部材２の全反射面２２に接触する位置に移動可能に設けられるが、全反射面２２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、上記表示素子１００によれば、平面光源４から面状の光を全反射光学部材２に導入し、光結合要素６を全反射光学部材２の全反射面２２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６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。
【００２４】
以下に上記表示素子１００の各構成要素について詳細に説明する。
まず、図１の全反射光学部材２について図２を用いて説明する。
図２は全反射光学部材２の具体的な一構成例を示している。図２に示すように全反射光学部材２は、入射光の導入側から光路を変化させる光学要素１０、光路を選択する光学要素１２、透明媒質１４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２の透明媒質１４の光路前方には透明媒質１６（本実施形態では空気）が存在し、透明媒質１４の屈折率ｎ１（第１の屈折率）と透明媒質１６の屈折率ｎ２（第２の屈折率）との関係は、透明媒質１４と透明媒質１６との界面となる全反射面２２における全反射条件を満足するように設定されている。例えば透明媒質１４がガラス基板の場合は屈折率ｎ１＝１．５で、透明媒質１６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２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２２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。
【００２５】
光路を変化させる光学要素１０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３に示す透過型の回折格子が用いられ、体積ホログラム（図３（ａ）参照）、レリーフ型回折格子（図３（ｂ）参照）や屈折率変調型回折格子（図３（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。
【００２６】
また、光拡散を利用する場合は、図４に示す光拡散板が用いられ、多孔質体（図４（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４（ｂ）参照）、表面が凹凸に形成された光拡散体又は散乱体（図４（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。
【００２７】
図２に戻って、光路を選択する光学要素１２は、この光学要素１２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、透明媒質１４と透明媒質１６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θＣより大きい角度成分の入射光だけが光路を選択する光学要素１２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θＣは（１）式により求められる。
θＣ＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１） （１）
【００２８】
具体的な光路を選択する光学要素１２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５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、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。
【００２９】
次に、図１に戻って、図１の平面光源４について図６および図７を用いて説明する。平面光源４は平面光源４からの出射光により、図６に示す拡散光と図７に示すコリメート光（平行光）との分類でき、また、平面光源４への光線の入れ方によってバックライト型（第１実施の形態）と導光板又は導波路型（第２実施の形態につき後述）とに分類できる。
拡散光は図６に示すように、面法線方向に指向性を持ったもので、低コストな任意の大きさの平面光源１４１が使用できる。これは、（１）内部に光源を有する場合と（２）外部に光源を有する場合とに分けられる。（１）の内部に光源を有する場合は、内部に光源を有する場合は、光源からの光が全反射光学部材２内部に直接的に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、（２）の外部に光源を有する場合は、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も利用することができ、高出力化が容易に行える。
コリメート光は図７（ａ）に示すように、出射光が出射面に対し略垂直である。
コリメート光は、ランプ周囲に配置されたレンズ、光反射板の形状、導光板背面に配置された反射板の構造、集光板の構造などを工夫することにより可能となる。このようなコリメート光を出射させる平面光源１４１ａによれば、導光板からの出射光を平行ビームに変換して、指向性を持たせることができる。コリメート光の場合は、特定の入射角度成分の入射光を全反射光学部材に供給することで光利用効率を向上できる特長がある。
なお、後述する全反射モードにこのコリメート光を用いる場合、コリメート光の方向を変える必要があるが、この場合、（１）コリメート平面光源１４１ａ自体の向きを変えて配置するか、（２）図７（ｂ）のように、入射光の導入側から、ガラス基板や透明樹脂等の透明媒質１４、透過型回折格子等の光路を変化させる光学要素１０、マイクロプリズムアレイ６４，透明媒質７０の順で積層して全反射光学部材３を構成すればよい。
この構成によれば、コリメート光である面状の入射光が全反射光学部材３に照射されると、入射光は透明媒質１４を透過して、光路を変化させる光学要素１０によりマイクロプリズムアレイ６４の頂角α等により設定される所定の入射角度成分の光に光路が変換され、透明媒質７０の全反射面７２における全反射条件を満足する角度に光路が変換される。換言すると、光路を変化させる光学要素１０は、入射光が透明媒質７０の全反射面７２で全反射する入射角度となるように設計されている。このように、導入されるコリメート入射光を透明媒質７０の全反射面７２で全反射させることが可能となる。
【００３０】
再び、図１に戻って、図１の平面光源４は全反射光学部材２に図６で説明した拡散光を照射する例を示しているが、この場合、コリメート光であってもよい。
そして入射光としては、青色、緑色、赤色等の可視光を使用している。光源の種類としては、例えば、蛍光体をＲ光、Ｇ光、Ｂ光を発光する材料で構成される蛍光ランプや、安価で波長域の定まったＬＥＤや、平面状の表示管であって面状光が直接的に得られるＦＥＤ、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を発光する材料で構成され、コリメート光が容易に得られるレーザ光源や、低電圧化を図ることができて光源の寿命を大幅に向上させることができ、面状光が得られる無機又は有機ＥＬ等が使用できる。
【００３１】
図８は薄膜無機ＥＬ素子で、無機ＥＬ層はＲ光、Ｇ光、Ｂ光を発光する材料で構成され、点光源と見なせるようにパターニング形成される。また、反射電極も各色に対応して分離され、各色を独立で発光させることができる。無機ＥＬ層から発光した光はマイクロレンズアレイにより平行化されコリメート光を出射する。
具体的には、ガラス等の透明基板上にＩＴＯなどの透明電極を成膜し、その上にＳｉＯ２や強誘電体などの第１絶縁層を成膜する。その上に点光源と見なせるような適当な領域のみにＺｎＳ：Ｍｎなどの無機ＥＬ層をパターニングして形成する。その上に前述と同材料の第２絶縁層を成膜し、最後にアルミ等の金属膜による反射電極を成膜する。
一方、基板の裏面にはマイクロレンズアレイを形成する。両電極間に交流電圧を印加すると、パターニングされた領域のみ発光し、その殆どがマイクロレンズ側に出射して、マイクロレンズアレイにより平行光となる。発光色は、無機ＥＬ材料を適宜選択することにより、ＵＶ光から可視３原色であるＲ光、Ｇ光、Ｂ光、および白色まで可能である。
【００３２】
図９は有機ＥＬ素子で、有機ＥＬ層はＲ光、Ｇ光、Ｂ光を発光する材料で構成され、点光源と見なせるようにパターニング形成される。また、カソード電極も各色に対応して分離され、各色を独立で発光させることができる。前例と同様に有機ＥＬ層から発光した光はマイクロレンズアレイにより平行化されてコリメート光を出射する。
具体的には、ガラス等の透明基板上にＩＴＯなどの透明電極をアノード電極として成膜する。その上にＳｉＯ２などの絶縁層を点光源と見なせるような適当な領域のみに開口部を設けてパターニング形成する。その上に有機ＥＬ層、ＭｇＡｇ等の金属反射膜をカソード電極として成膜する。有機ＥＬ層は低分子有機材料、又は高分子有機材料など適宜選択可能であり、また、層構成としては電子・ホール輸送層などを積層したものから単層構造のものまで適宜選択可能である。
一方、基板の裏面にはマイクロレンズアレイを形成する。両電極間に直流電圧を印加すると、絶縁層の開口部のみ発光し、その殆どがマイクロレンズ側に出射して、マイクロレンズアレイにより平行光となる。発光色は、無機ＥＬ材料を適宜選択することにより、ＵＶ光から可視３原色であるＲ光、Ｇ光、Ｂ光、および白色まで可能である。
発光材料に用いる有機物質は、色素分子と呼ばれる低分子系と、導電性高分子と呼ばれる高分子系に分けられる。現在は純度を高くできることと、発光効率の高い有機ＥＬを作ることができる低分子系がよく用いられている。
【００３３】
低分子発光材料は積層構造の発光素子を形成するため、主として有機分子線蒸着法（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｏｌ−ｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＯＭＢＤ）により成膜する場合が多い。この方法の利点は積層構造を作製するのに都合がよく、任意の膜厚の積層構造を作製できることにある。
低分子の有機色素は色素レーザなどに用いるものがあり、光励起により発光する有機材料が多く開発されているが、電流注入で強い発光を示すものはＡｌｑ２ の開発以降、多くの材料が開拓されている。これらの色素分子は有機分子線蒸着法により成膜でき、容易に積層構造が形成可能である。
【００３４】
青色の発光を示す色素分子にはアントラセン（ａｎｔｈｒａｃｅｎｅ）、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）、その誘導体（ＰＥＳＢ）などがある。
【００３５】
緑色発光を示すものにはＡｌｑ_２の他、ｔｒｉｓ（４−ｍｅｔｈｙｌ−８−ｑｕｉｎｏｌｉｎｏｌａｔｅ）ａｌｕｍｉｎｕｍｅ（ＩＩＩ ）（Ａｌｍｑ_３ ），コロネン（ｃｏｒｏｎｅｎｅ）などが挙げられる。
【００３６】
（Ｚｎｑ１ ）は黄色の発光を示し、赤色の発光を示す材料としてはベリレン誘導体（ＢＰＰＣ：ＮＮ’−ｂｉｓ（２，５−ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌｐｈｅｎｙｌ）−３，４，９，１０−ｐｅｒｙｌｅｎｅｄｉ−ｃａｒｂｏｘｉｍｉｄｅ），ｐｅｒｙｌｅｎｅ，ＤＣＭ：４−（ｄｉ−ｃｙａｎｏｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）−２−ｍｅｔｈｙｌ−６−（ｐ−ｄｉｍｅｔｈｙａｍｉｎｏｓｔｙｒｙｌ）−４Ｈ−ｐｙｒａｎ，Ｎｉｌｅ ｒｅｄなどがあるが、特にＥｕ錯体（１，１０−ｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ）−ｔｒｉｓ−（４，４，４−ｔｒｉｆｌｕｏｒｏ−１−（２−ｔｈｉｅｎｙｌ）−ｂｕｔａｎｅ−１，３−ｄｉｏｎａｔｅ）Ｅｕｒｏｐｉｕｍ（ＩＩＩ ），（Ｅｕ（ＴＴＡ）_３ ｐｈｅｎ）は６１４ｎｍに鋭い発光を持ち極めて単色性の高い発光材料として用いられる。
【００３７】
有機ＥＬの構造の１例としては、蛍光体単層に、蛍光体単層を挟んで上下から電子輸送と正孔輸送剤を染み込ませる半導体工程において拡散形成されたｐ層とｎ層をする構造のようなものを挙げることができる。
【００３８】
図１０は電界放出（フィールドエミッション）型の発光素子（ＦＥＤ）で、蛍光体はＲ光、Ｇ光、Ｂ光を発光する材料で構成され、点光源と見なせるようにパターニング形成される。カソード基板上に各カソード電極を形成し、その上に電子放出層を形成する。電子放出層は電界により電子が放出する材料と構造で形成される。例えばＭｏ、Ｗ等の金属、Ｓｉ等の半導体、カーボンなどの材料が適する。電子放出量は、その電子放出領域が点在するように形成する。
一方、透明なアノード基板上には透明なアノード電極と電子励起により発光する蛍光体を成膜する。必要により蛍光体上にはアルミ薄膜等のメタルバックを形成する。前記の２枚の基板は電子放出層と蛍光体が向き合うように対向配置され、内部を高真空状態にして周辺を封止する。蛍光体はその発光領域が点光源と見なせるように適宜パターニングされ、前述の電子放出領域より放出される電子照射に対向させる。
アノード基板の外面にはマイクロレンズアレイを配置する。この構成によりカソード電極が負、アノード電極が正になるように高電圧を印加すると電子放出層から電子が放出し、印加電圧に応じて加速され対向する蛍光体に衝突する。蛍光体は衝突電子により励起発光する。発光した光は前方と後方に出射されるが、後方成分はメタルバックで反射され前方に出射する。この発光領域は前述の構成により点光源と見なせる。また、この発光領域はマイクロレンズアレイの各々の主焦点位置に配置されることにより、マイクロレンズアレイに入射される光は平行光に変換される。発光色は蛍光体を適宜選択することにより、ＵＶ光から可視３原色であるＲ光、Ｇ光、Ｂ光、および白色まで可能である。
【００３９】
上記平面光源は、直接面状光が得られるもの以外は、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。また、単に点光源や線光源からの光を、拡散・散乱、屈折、回折等を行うフィルタを通すことで面状光を形成して照射するものであってもよい。
複数の点光源や線光源を集結させる方式としては、例えばＬＥＤを縦横にマトリクス配置し、光量が均一となるように発光させる構成や、例えば蛍光ランプを並列配置させて発光させる構成のもの等が挙げられる。また、偏向走査させる方式としては、例えば半導体レーザやガスレーザ等のレーザビームを、ポリゴンミラー等により偏向走査させることで面状光を得る構成や、平面表示素子全体を真空封止して陰極線を走査させて蛍光体を励起発光させる構成のもの等が挙げられる。なお、レーザビームは複数の照射スポットを形成するマルチビームを用いることで、より効率的に面状光を得ることができる。いずれにせよ、平面光源と同等の面状光を得ることができれば点光源や線光源等のいずれの光源を用いることできる。
【００４０】
さらに、光源からの光を全反射光学部材２に照射する際、予め面状光を形成して照射する以外にも、点光源や線光源による光をそのまま全反射光学部材２に対して順次走査させながら導入してもよい。この場合には、例えば上記したレーザビームの走査等が好適に利用できる。
【００４１】
再び図１に戻って、図１の光結合要素６について詳述する。
光結合要素６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６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６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）〜（３）に示す種類のものがここで利用できる。
（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。
図１１は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。図において、全反射面２２に近接配置させることで取り出した出力光の光路を変更する屈折体として、例えば、図１１（ａ）に示すレンズアレイ、図１１（ｂ）に示すプリズムアレイ、図１１（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２の全反射面２２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。
【００４２】
（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３（ａ）に示す体積ホログラム、図３（ｂ）に示すレリーフ型回折格子、図３（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。
【００４３】
（３）光拡散体又は光散乱体或いはその機能を有するもの。
図１２は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。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１２（ａ）に示す量産に適した多孔質体、図１２（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２０の分散体又は分布体、図１２（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。
【００４４】
図１に戻って、上述した全反射光学部材２，平面光源４，光結合要素６により構成した表示素子１００の光変調動作を次に説明する。
図１に示す全反射光学部材２に平面光源４からの光が導入されると、光路を変化させる光学要素１０及び光路を選択する光学要素１２を透過した光が全反射光学部材２の全反射面２２で全反射されることになる。そして、この全反射面２２に光結合要素６が近接した領域では、全反射面２２における全反射条件が崩されて、光結合要素６に全反射面２２から光が取り出される。取り出された光は全反射光学部材２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６が全反射面２２から離間した領域では、全反射面２２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、本実施形態の表示素子１００は、光結合要素の構成が単純であるため、空隙ギャップ、膜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。
【００４５】
上記全反射構成のバックライト型平面表示素子１００によれば、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２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、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６が全反射面に近接配置された領域から、全反射面２２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、表示素子１００の光路前方側の面では、光結合要素６の設けられた領域だけが光り、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。
【００４６】
そして、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、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２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２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。
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、表示素子１００の入射光導入側に、この表示素子１００により反射された入射光を表示素子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。
【００４７】
次に、上述した表示素子の２次元配列された平面表示素子の単純マトリクス駆動について図１３および図１４を用いて説明する。
図１３は静電気により可撓薄膜が変位する光変調素子（以後、「ＭＥＭ」という。）により形成した表示素子を２次元配列した平面表示素子の平面図で、
図１４は図１３のＣ−Ｃ断面図で（ａ）は非駆動時、（ｂ）は駆動時の状態を示す図である。
図１３及び図１４に示すように、本実施形態の平面表示素子２００は、全反射光学部材２の全反射面２２上に光結合要素３２〜３８（図１４の６）がｍ行ｎ列（ｍ、ｎは整数）の２次元状に配列されている。即ち、全反射面２２上には入射光に対して透明な信号電極３２が列方向にそれぞれｎ列平行配置され、この信号電極３２に直交する行方向に、同じく入射光に対して透明な走査電極３４が信号電極の両側方に形成された一対の柱材３６ａ，３６ｂを介してｍ行平行配置されている。この信号電極３２と走査電極３４との重なり部分が一画素の領域を構成する。なお、走査電極３４の信号電極３２側には、電気絶縁性を有する光拡散層３８が形成され、走査電極３４と光拡散層３８により可撓薄膜を形成している。
【００４８】
電気絶縁性を有する光拡散層は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮｘ等の無機絶縁膜や、ポリイミド等の有機絶縁膜が使用可能である。また、可撓薄膜と信号電極の間の空隙形成には、空隙部に予め犠牲層を形成し、その上に可撓薄膜を形成してから最後に犠牲層をエッチング除去して空隙を得ることができる。可撓薄膜に光拡散性を付与する手段としては、フォトリソ・エッチング等により表面に凹凸を形成する方法や、屈折率の異なる微粒子を上記絶縁膜に分散する方法等で得られる。
【００４９】
上記構成の平面表示素子２００の光変調動作を説明すると、まず、図１４（ａ）に示すように、信号電極３２に印加される電圧と走査電極３４に印加される電圧との間の電位差が非駆動電圧Ｖｏｆｆであるとき、可撓薄膜４０は可動（吸着）せずニュートラル状態の平面状を呈し、全反射光学部材２に導入された光は表示側に出射されない。
【００５０】
一方、図１４（ｂ）に示すように、信号電極３２に印加される電圧と走査電極３４に印加される電圧との間の電位差が駆動電圧Ｖｏｎに達すると、信号電極３２と走査電極３４との間に静電気力が発生して可撓薄膜４０は信号電極３２に吸着される。すると、全反射光学部材２に導入された光は、可撓薄膜４０が信号電極３２に吸着された領域で全反射条件が崩れ、信号電極３２及び可撓薄膜４０を通じて取り出される。この取り出された光が表示側に出射されることになる。図１４（ｂ）では３個のＭＥＭすべてが駆動電圧Ｖｏｎに達している例を示しているが、勿論、３個のＭＥＭのうちどれかの信号電極３２に印加される電圧を図１４（ａ）の場合の電圧としておくことにより、そのＭＥＭだけ出射しないようにすることができる。
また、逆に、３個のＭＥＭすべての信号電極３２の電圧を図１４（ｂ）の場合の電圧としておいても、走査電極３４に所定の電圧が印加されていなければ、信号電極３２に印加される電圧と走査電極３４に印加される電圧との間の電位差が駆動電圧Ｖｏｎに達しないためどのＭＥＭも出射しないこととなる。
したがって、走査電極３４に時間的に順次所定電圧を印加させていき、これと同期してそのときの走査電極３４と交差する複数のＭＥＭのうち出射させたいＭＥＭ（画素）の信号電極に所定電圧（例えばゼロ電圧）を与えることにより画像様に出射させることができる。
【００５１】
このように、上記構成の平面表示素子２００によれば、可撓薄膜４０と信号電極３２とを電気機械動作により離反又は接触させることで導光拡散作用が得られ、この導光拡散作用を利用して光変調が可能となる。即ち、可撓薄膜４０と信号電極３２との間に空隙が形成されているときは、全反射光学部材２内の全反射条件が満足されて信号電極３２からの光を遮断する一方、可撓薄膜４０を信号電極３２に接触させたときは、全反射条件が崩されて信号電極３２からの光が可撓薄膜４０側へ導光される。この導光された光を可撓薄膜４０内の光拡散層３８で拡散することで、可撓薄膜４０からの光の出射が可能になる。
【００５２】
ここで、上記のＭＥＭの出射原理について詳しく説明する。ＭＥＭの使用原理は３つに分類され、以下、第１〜第３使用例として説明する。
まず、ＭＥＭの第１使用例について図１５および図１６を用いて説明する。
第１使用例は前述した全反射モードのものである。図１５は第１使用例ＭＥＭを示す断面図、図１６は図１５に示した平面表示素子の動作状態を説明する断面図である。
可撓薄膜を電気機械動作させて光変調させる動作原理としては、可撓薄膜と透明な信号電極とを離反又は接触させることによる導光拡散作用（以下、導光拡散と称する。）を利用することができる。導光拡散では、空隙を光の透過抵抗として、空隙が形成されている際には、信号電極からの出射光を遮断若しくは減衰させる。 一方、可撓薄膜を信号電極に接触させた時のみに、信号電極からの出射光を可撓薄膜へ導光（モード結合）させ、その光を可撓薄膜において拡散させることで、可撓薄膜からの出射光の強度を制御する（光変調する）。
図１５に示すように、導光板５０上には、光線に対して透明な一方の電極（電極）５１を形成してある。この例としては、電子密度の高いＩＴＯなどの金属酸化物、非常に薄い金属薄膜（アルミなど）、金属微粒子を透明絶縁体に分散した薄膜、又は高濃度ドープしたワイドハンドギャップ半導体などが好適である。
電極５１の上には、絶縁性の支柱５２を形成してある。支柱５２には、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物、セラミック、樹脂などを用いることができる。支柱５２の上端面には、ダイヤフラム５３を形成してある。電極５１とダイヤフラム５３との間には、空隙（キャビティ）１１が形成されている。このダイヤフラム５３には、ポリシリコンなどの半導体、絶縁性のシリコン酸化物、シリコン窒化物、セラミック、樹脂などを用いることができる。また、ダイヤフラム５３の屈折率は、導光板５０の屈折率と同等かそれ以上が好ましい。
ダイヤフラム５３の上には、光拡散層５５、例えば、無機、有機透明材料の表面に凹凸を形成したもの、マイクロプリズム、マイクロレンズを形成したものや、無機、有機多孔質材料、又は屈折率の異なる微粒子を透明基材に分散したものなどを形成してある。
光拡散層５５の上には、光線に対して透明な他方の電極（電極）５７を形成してある。例として電極５１と同様の材料のものを用いることができる。ダイヤフラム５３、光拡散層５５、電極５７は、可撓薄膜を構成している。
導光板５０とダイヤフラム５３との間には空隙１１が存在するが、この空隙１１は支柱５２の高さで略決定される。空隙１１の高さは、例えば、０．１μｍから１０μｍ程度が好ましい。この空隙１１は、通常、犠牲層のエッチングにより形成される。
また、上述の構成例の他に、ダイヤフラム５３と光拡散層５５とを同一の材料で構成しても良い。例えば、窒化シリコン膜でダイヤフラム５３を構成し、上面側の表面に凹凸を形成することによって、拡散機能を持たせることができる。
【００５３】
このように構成した平面表示素子６１の光変調の動作原理を説明する。
電圧ＯＦＦ時、両電極５１、５７の電圧がゼロで、ダイヤフラム５３と導光板５０との間に空隙１１（例：空気）が存在する場合、導光板５０の屈折率をｎｗとすると、空気との界面における全反射臨界角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎｗ）となる。従って、光線は、界面への入射角θが、θ＞θｃのとき、図１５に示すように、導光板５０内を全反射しながら進む。
電圧ＯＮ時、両電極５１、５７に電圧を印加し、ダイヤフラム５３と導光板５０表面とを接触又は十分な距離に近づけた場合、図１６に示すように、光線は、ダイヤフラム５３側に伝搬透過し、更に光拡散層５５により拡散されて表面側に出射する。
【００５４】
この実施形態による平面表示素子６１によれば、電圧印加によるダイヤフラム５３の位置制御により、光変調を行うことができる。なお、導光板５０とダイヤフラム５３の間には光線に対して透明な電極５１があるが、通常使用される薄膜の厚さ（２０００Ａ）程度であれば、上述の動作上問題の生ずることはない。
また、この平面表示素子６１では、電圧の値により、ダイヤフラム５３と導光板５０との間隙距離、接触面積を変化させることができる。これによって、透過光量の制御が可能となる。このような作用を利用することにより、印加電圧を可変して階調制御も可能にできる。
【００５５】
次に、本発明に用いられるＭＥＭの第２使用例を図１７〜図１９を用いて説明する。
可撓薄膜を電気機械動作させて光変調させる動作原理としては、ファブリペロー干渉を利用することができる。ファブリペロー干渉では、二枚の平面が向かい合わせに平行に配置された状態において、入射光線は、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ｉとすれば、相隣る二光線間の光路差は
ｘ＝ｎｔ・ｃｏｓｉ
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・ｃｏｓｉ＝ｍλ
で透過光最大となり、
２ｎｔ・ｃｏｓｉ＝（２ｍ＋１）λ／２
で透過光最小となる。但し、ｍは正整数である。
即ち、光路差ｘが所定の値となるように、可撓薄膜を移動させることにより、信号電極側から出射される光を、光変調して可撓薄膜から出射させることが可能となる。
【００５６】
このようなファブリペロー干渉を利用した平面表示素子の具体例を図１７〜図２１を参照して説明する。図１７は第２使用例の平面表示素子の光変調部を示す平面図、図１８は図１７のＡ−Ａ断面図、図１９は図１７のＢ−Ｂ断面図、図２０は青色光源の分光特性を示す説明図、図２１は図１７に示した平面表示素子の動作状態を説明する断面図、図２２はＭＥＭの光強度透過率を示す説明図である。
図１７〜図１９において、光線に対して透明な基板７１上には、誘電体多層膜ミラー７３を設けてある。基板７１上には、誘電体多層膜ミラー７３を挟んで両側に一方の電極（電極）７５を一対設けてある。基板７１上には、電極７５の左右側（図１７の左右側）に支柱５２を設けてある。支柱５２の上端面には、ダイヤフラム５３を設けてある。誘電体多層膜ミラー７３に対向するダイヤフラム５３の下面には、誘電体多層膜ミラー７７を設けてある。誘電体多層膜ミラー７３と誘電体多層膜ミラー７７との間には、空隙１１が形成されている。ダイヤフラム５３の表面には、電極７５と対向するように、他方の電極（電極）７９を一対設けてある。なお、図１９中、８０はスペーサである。
【００５７】
図２１に示すように、板状の平面光源ユニット８１は青色、緑色、赤色のコリメート光を表面側から本発明により時間順次に出射する。
青色光源８３の発光光線の分光特性は、図２０のようになる。即ち、４４０ｎｍ付近に中心波長λ０を持つ光線をバックライト光の１色として使用する。
【００５８】
図２１において、このように構成される光変調部８５における電圧ＯＦＦのときの空隙１１の間隔をｔｏｆｆ とする（図２１の左側の状態）。これは素子作製時に制御可能である。また電圧を印加したとき静電気力により空隙１１の間隔が短くなるがこれをｔｏｎとする（図２１の右側の状態）。ｔｏｎの制御は、印加する静電気応力とダイヤフラム５３が変形したとき発生する復元力のバランスで可能である。より安定な制御を行うには、この例のように、変位が一定となるようにスペーサ８０を電極上に形成してもよい。このスペーサは絶縁体の場合、その比誘電率（１以上）により、印加電圧を低減する効果がある。また、導電性の場合には、更にこの効果は大きくなる。また、電極とスペーサとは、同一材料で形成してもよい。
ここで、ｔｏｎ、ｔｏｆｆ を下記のように設定する。（ｍ＝１）。
ｔｏｎ ＝１／２×λ０＝２２０ｎｍ（λ０：光線の中心波長）
ｔｏｆｆ ＝３／４×λ０＝３３０ｎｍ
また、図１８の誘電体多層膜ミラー７３、７７は、光強度反射率をＲ＝０．８５とする。更に、空隙１１は空気又は希ガスとし、その屈折率はｎ＝１とする。光線は、コリメートされているので光変調部８５に入射する入射角ｉは、略ゼロである。このときの光変調部８５の光強度透過率は図２２のようになり、電圧を印加しないときはｔｏｆｆ ３３０ｎｍで、３３０ｎｍ近辺の光線を透過させ、また、電圧を印加してｔｏｎ＝２２０ｎｍで光線４４０ｎｍ近辺の光線を透過させる。
従って、電圧を印加しないときはｔｏｆｆ ３３０ｎｍであり、４４０ｎｍ近辺にピークを有する青色光線はほとんど透過しない。一方、電圧を印加してｔｏｎ＝２２０ｎｍとなると、青色光線は透過する。
この光変調部８５を有した平面表示素子９１によれば、このようにして、ダイヤフラム５３を撓ませることにより、多層膜干渉効果を発生させて、光線の光変調を行うことができる。
以上は青色光線の例であるが、他の波長の可視光線も上記図２０および図２２の範囲内にあるので、他の緑、赤色についてもこの干渉範囲で十分に機能する。
なお、干渉の条件を満たせば、空隙１１の間隔ｔ、屈折率ｎ、誘電体多層膜ミラー７３、７７の光強度反射率Ｒなど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。
【００５９】
次に、本発明に係るＭＥＭの第３使用例を図２３〜図２５を用いて説明する。図２３は第３使用例の平面表示素子の光変調部を示す斜視図、図２４は図２３に示した光変調部の断面図、図２５は図２３に示した平面表示素子の動作状態を説明する断面図である。
光線に対して透明な基板１０１上には、光線に対して透明な透明電極１０３を設けてある。基板１０１は、光が透過する開口部以外を絶縁性の遮光膜１０５で遮光してある。透明電極１０３、遮光膜１０５の表面には、絶縁膜１０７を形成してある。
また、この基板１０１上の開口部の両側には、絶縁性の支柱１０９を設けてある。支柱１０９の上端には、可撓薄膜である遮光板１１１を設けてある。遮光板１１１は、片持ち梁構造を有し、導電性で光線を吸収、又は反射する材料で構成される。この梁構造を有した導電性の遮光板１１１は、単一の薄膜で構成されてもよく、また複数の薄膜で構成されてもよい。
具体的には、光線を反射するアルミ、クロムなどの金属薄膜、光線を吸収するポリシリコンなどの半導体による単体構成や、シリコン酸化物、シリコン窒化物などの絶縁膜、ポリシリコンなどの半導体薄膜に金属を蒸着した構成、又は誘電体多層膜などのフィルターを蒸着した複合構成とすることができる。遮光板１１１は、開口部の形状と対応しており、開口部の大きさより若干大きくしてある。
このように構成された光変調部１１３を有する平面表示素子１１５を、光線平面光源ユニット８１上に配置する。導電性の遮光板１１１と透明電極１０３との間に電圧を印加しないときは、遮光板１１１は開口部と対向しており、開口部から透過した光線は遮光板１１１によって吸収又は反射される（図２５の左側の状態）。
一方、遮光板１１１と透明電極１０３との間に電圧を印加すると、両者間に働く静電気応力により、遮光板１１１がねじれながら透明電極１０３側に傾く（図２５の右側の状態）。即ち、遮光板１１１による遮蔽がなくなる。これにより開口部から透過した光線は、更に前方に透過することができる。また、再度電圧をゼロにすると、梁の弾性により遮光板１１１は元の位置に復帰する。
また、電圧の値により、遮光板１１１の傾き度合い、即ち、透過光量を連続的に変化させることが可能である。これを利用して印加電圧による階調制御が可能となる。
このように、上述の平面表示素子１１５によれば、遮光板１１１を撓めることにより、光線の進路を変化させて、光線の光変調を行うことができる。
【００６０】
次に、図１の表示素子１００を用いて本発明が行うフィールドシーケンシャル駆動について図２６および図２７を参照して説明する。
図２６はフィールドシーケンシャル駆動に用いる３色のＬＥＤチップとマイクロレンズアレイによるコリメート３色平面光源の例を示す図である。図２６において、Ｒ光ＬＥＤチップ３０２Ｒ、Ｇ光ＬＥＤチップ３０２Ｇ、Ｂ光ＬＥＤチップ３０２Ｂの３個のＬＥＤチップとマイクロレンズアレイ３０４により平面光源が構成され、これからコリメート光３０６を出射する。図１の平面光源４は拡散光であったが、ここではコリメート光を用いている。
フィールドシーケンシャル駆動は基本的には、これらの３色の独立の色Ｒ、Ｇ、Ｂの時間における加法混色により任意の色を見せる方式である。
具体的には、図２７のような色の異なる複数のＲ、Ｇ、Ｂ光源を用いて、各色毎に独立な輝度調整が可能なようにして、均一な面輝度を呈する平面光源とし、図２７に示すように、例えば、フリッカが発生しない６０Ｈｚのフィールド周期Ｔ（Ｔ＝１／６０ｓｅｃ）を、さらに３つの時間に分割したＴ／３（Ｔ／３＝１／１８０ｓｅｃ）間隔で順次ＲＧＢのＬＥＤチップを点灯させて、その上にＭＥＭアレイ等を配置させ、各色ＬＥＤの点灯に同期させながら画像信号に応じた光変調を行うことにより、任意の色の表示が可能となる。
図２７はＲ、Ｇ光のＬＥＤが点灯するタイミングでＭＥＭをＯＮ（透過）させると、Ｒ＋Ｇ＝黄色の表示ができることを示している。同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂ光のＬＥＤが点灯するタイミングでＭＥＭをＯＮ（透過）させると、Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＝白色の表示が可能となる。
なお、ＭＥＭを透過した光は、光拡散層により拡散出射され、視野角特性の良い表示となる。
このように図１のＲ光、Ｇ光、Ｂ光が独立で制御できるコリメート平面光源から時間順次に出射される各Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光に同期して、前述の平面配置されたＭＥＭを単純マトリクス駆動により画像様に開閉時間を変化させることにより、人間の目には所望のカラーの所望の明るさで見えることとなる。
以上、このようなフィールドシーケンシャル駆動によるカラー表示は、カラーフィルタを用いた従来の平置加法混色によるカラーＬＣＤに比べれば、
１、高解像度
２、ドライバーＩＣ数の削減
３、カラーバランスの調整容易（ホワイトバランスの容易）
４ カラーフィルター不要
という利点を生ずる。１、２はセグメント・ライン数が減少することにより、３は色毎に制御可能なことから達成される。
さらに、このようなフィールドシーケンシャルをＭＥＭを用いて行なうことにより、高精細、高光利用効率で安価でかつ高速可能でしたがってフリッカのない表示素子が実現可能である。
【００６１】
以上は、すべてバックライト型の平面光源を用いていたが、本発明はこれに限られるものではなく、導光板／導波路を用いた平面光源を用いることも可能である。本発明の第２の実施の形態は、導光板／導波路型平面光源によるフィールドシーケンシャルの例である。
図２８は本発明の第２の実施の形態に係るもので、フィールドシーケンシャルが適用される導光板／導波路型平面表示素子の概念的な構成を示すものである。
図２８は導光板／導波路型平面光源の第１例の断面図、図２９は導光板／導波路型平面光源の第２例を示す断面図、図３０は導光板／導波路型平面光源の第３例を示す断面図である。
平面表示素子の平面光源ユニットとしては、種々の構成が考えられるが、図２８に示すように、平面光源ユニット１４１は、光源１４３と、光反射板１４５と、導光板１４７と、拡散板１４９と、集光板１５１とにより構成することができる。
光源１４３は導光板１４７の端面側に配置してある。光源１４３からの光線は、光反射板１４５によって導光板１４７の端面から入射する。導光板１４７の表面には拡散板１４９を設けてあり、拡散板１４９の表面には更に集光板１５１を設けてある。導光板１４７の端面から入射した光線は、拡散板１４９、集光板１５１を通過して出射される。
【００６２】
更に、平面光源ユニットは、図２９に示すように、導光板１４７内の光路が全反射臨界角度より高くなるように、光源周囲の光反射板１４５を傾斜させ、導光板１４７内に光線を入射させるものとしてもよい。
この平面光源ユニット１４１ｂでは、入射された光線が導光板１４７を全反射しなが終端まで進み、終端に設けた反射板１５３で反射されて、さらに全反射をしながら光源１４３側に戻る。
この平面光源ユニット１４１ｂによれば、指向性の無い平面光源を得ることができる。この平面光源ユニット１４１ｂは、上述した第１使用例の平面表示素子６１に好適に用いることができる。
図３０は導光板／導波路型平面光源の第３例を示す断面図で、コリメート光を用いた平面光源の断面図である。図３０において、３１０はアクリル、ガラス、ポリカーボネート等の材質の導光体であり、３１１はハーフミラー等の偏向手段、３１２は入射光を垂直方向へ偏向した出射光である。
偏向手段３１１の具体例としては導光体３１０と異なる屈折率の透明材料からなる媒体が好ましい。実際には、導光体３１０を図のように斜めに複数層重ね、その間を接着層で固定する。この接着層は前記の偏向手段３１１に相当し、その屈折率は導光体３１０の屈折率に対し僅かな差を有する。
図３１の拡大図に示す平面光源はフィールドシーケンシャル駆動によるカラー表示素子用に好適である。すなわち、ＬＥＤのＲ光源３０２Ｒ、Ｇ光源３０２Ｇ、Ｂ光源３０２Ｂとマイクロレンズアレイ３０４による平面光源３０１からのコリメート光３０６を、導光板３１０に入射すると、ハーフミラー（又は異なる屈折率の透明材料からなる媒体）３１１により、一部が反射されて垂直方向へ偏向し光線３１２として出射される。又、入射光３０６の残りは透過し、次のハーフミラー３１１で一部が反射されるというように順々に反射される。導光板３１０と平面光源ユニット３０１の組合わせは、図面奥行き方向にも展開されているので垂直方向への出射光３１２は面光源として出射構成され、導光体３１０の上面側に図示していないＭＥＭを置いて出射光３１２を入射させれば表示素子が可能となる。
【００６３】
なお、図３１では、１個のマイクロレンズに対し１個の光源を配置しているが、１個のマイクロレンズに対しＲ光源、Ｇ光源、Ｂ光源を集めて配置してもよい。また、平面光源として最終的に出射される面内が輝度及び色ともに均一となるように、各色の光源とマイクロレンズを適宜配列させても良い。
本実施の形態によれば、平面光源の面内全体にコリメート光源を配置する必要が無く、コリメート光源に必要な光源の数、面積を大幅に低減させることが可能であり、低コストを実現できる。
【００６４】
以上のような導光板／導波路型平面表示素子においても、上述のように本発明によるＭＥＭを用いたフィールドシーケンシャル駆動を行うことができることはいうまでもない。すなわち、図２７のような色の異なる複数のＲ、Ｇ、Ｂ光源を用いて、各色毎に独立な輝度調整が可能なようにして、均一な面輝度を呈する平面光源とし、図２７に示すように、例えば、フリッカが発生しない６０Ｈｚのフィールド周期Ｔ（Ｔ＝１／６０ｓｅｃ）を、さらに３つの時間に分割したＴ／３（Ｔ／３＝１／１８０ｓｅｃ）間隔で順次ＲＧＢのＬＥＤチップを点灯させて、その上にＭＥＭアレイ等を配置させ、各色ＬＥＤの点灯に同期させながら画像信号に応じた光変調を行うことにより、任意の色の表示が可能となる。
このようなフィールドシーケンシャル駆動によるカラー表示は、カラーフィルタを用いた従来の平置加法混色によるカラーＬＣＤに比べれば、
１、高解像度
２、ドライバーＩＣ数の削減
３、カラーバランスの調整容易（ホワイトバランスの容易）
４ カラーフィルター不要
という利点がこの導光板／導波路型平面表示素子においても生ずる。
さらに、このフィールドシーケンシャルをＭＥＭを単純マトリクス駆動させることによって、高精細で、高光利用効率で安価でかつ高速可能でしたがってフリッカのない薄型の表示素子が実現可能となる。そしてこの実施の形態によれば、導光板／導波路型平面表示素子としているので、コリメート光源に必要な光源の数、面積を大幅に低減させることが可能である。
【００６５】
また、本発明に用いられるＭＥＭの駆動には上記の単純マトリクス駆動の他にアクテイブマトリクス駆動を適用することも可能である。
次に、本発明に用いられるアクテイブマトリクスについて、図３２〜図３５を用いて説明する。
図３２はＭＥＭの第１の使用例を示す平面図、図３３は図３２のＡ−Ａ断面図、図３４は図３２のＢ−Ｂ断面図、図３５は図３２に示した画素部の等価回路図である。
上述した平面表示素子は単純マトリクス駆動を可能としたが、平面表示素子はアクティブ駆動を行うものであってもよい。即ち、この実施形態による平面表示素子２１では、画素毎に能動素子（例としてＴＦＴ）２３を設けてある。ＴＦＴ２３は、ゲート電極２５、絶縁膜２７、ａ−Ｓｉ：Ｈ層２９、一方の電極（ドレイン電極）３１、一方の電極（ソース電極）３３から構成される。このＴＦＴ２３は、基板３５上に形成される。
ＴＦＴ２３のソース電極３３には、画素電極３７が接続される。ドレイン電極３１には、列毎の画像信号ライン３９が接続される。ゲート電極２５には、行毎の走査信号ライン４１が接続される。
画素電極３７は、光変調部４３にある可撓薄膜９の上部に積層される。可撓薄膜９は、支柱５２に架橋される。また、画素電極３７と対向して、基板３５には他の電極（共通電極）４７が設けられ、電位Ｖｃｏｍが印加される。
【００６６】
このように構成された平面表示素子２１の光変調部４３では、ゲート電極２５に接続された走査信号ライン４１にＴＦＴ２３を導通させる電圧が印加される。そして、ドレイン電極３１に接続された画像信号ライン３９に所望の画像信号電圧が印加されると、ドレイン電極３１とソース電極３３とが導通する。従って、画像信号電圧が、画素電極３７に印加されることになる。これにより、共通電極４７の電位Ｖｃｏｍと画素電極３７の電位との電圧により静電気応力が働き、所望の光変調を行うことができる。
この後に他の行の走査のため、ＴＦＴ２３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。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る平面表示素子によれば、各々独立で制御可能な複数の異なる波長を有する光源と、該光源からの光の透過率を電気機械的に制御する２次元光変調アレイとからなり、各前記光源を１フィールド期間内で時間順次に点灯させ、これに同期して前記２次元光変調アレイを駆動して光変調するようにしたので、高解像度で、ドライバーＩＣ数の削減ができ、カラーバランスの調整容易（ホワイトバランスの容易）で、カラーフィルター不要というフィールドシーケンシャル駆動の利点が得られると共に、ＭＥＭ駆動により安価でかつ高速可能で、したがってフリッカのない薄型の表示素子を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光変調素子（ＭＥＭ）の搭載された表示素子の概略的な構成を示す図である。
【図２】図１の全反射光学部材の具体的な一構成例を示す図である。
【図３】透過型の回折格子を示す図であって、（ａ）は体積ホログラム、（ｂ）はレリーフ型回折格子、（ｃ）は屈折率変調型回折格子である。
【図４】光拡散板を示す図であって、（ａ）は多孔質体、（ｂ）は異なる屈折率を有する物質が分布・分散した異種屈折率分布体・分散体、（ｃ）は表面が凹凸に形成された光拡散体又は散乱体である。
【図５】光干渉フィルタの層構成を示す図である。
【図６】平面光源からの拡散光を示す説明図である。
【図７】平面光源からのコリメート光を示す説明図である。
【図８】Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を発光する材料で構成された無機ＥＬ層を有する薄膜無機ＥＬ素子で、点光源と見なせるようにパターニング形成された例を示す図である。
【図９】Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を発光する材料で構成された有機ＥＬ層を備えた有機ＥＬ素子で、点光源と見なせるようにパターニング形成された例を示す図である。
【図１０】Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を発光する材料で構成された蛍光体を備えた電界放出（フィールドエミッション）型の発光素子で、点光源と見なせるようにパターニング形成された例を示す図である。
【図１１】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１２】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１３】ＭＥＭ表示素子を２次元配列した平面表示素子の平面図である。
【図１４】図１３のＣ−Ｃ断面図で（ａ）は非駆動時、（ｂ）は駆動時の状態を示す図である。
【図１５】第１使用例の平面表示素子の光変調部を示す断面図てある。
【図１６】図１５に示した平面表示素子の動作状態を説明する断面図である。
【図１７】第２使用例の平面表示素子の光変調部を示す平面図である。
【図１８】図１７のＡ−Ａ断面図である。
【図１９】図１７のＢ−Ｂ断面図である。
【図２０】青色光源の分光特性を示す説明図である。
【図２１】図１７〜図１９に示した平面表示素子の動作状態を説明する断面図である。
【図２２】光変調素子の光強度透過率を示す説明図である。
【図２３】第３使用例の平面表示素子の光変調部を示す斜視図である。
【図２４】図２３に示した光変調部の断面図である。
【図２５】図２３に示した平面表示素子の動作状態を説明する断面図である。
【図２６】ＬＥＤチップを３色ＬＥＤチップとした例を示す図である。
【図２７】図２６に示す平面光源のフィールドシーケンシャル駆動の説明図である。
【図２８】本発明の第２の実施形態に係る平面表示素子に用いる平面光源の断面図である。
【図２９】第２の実施形態の変形例を示す断面図である。
【図３０】第２の実施形態の第２の変形例を示す断面図である。
【図３１】Ｒ光源、Ｇ光源、Ｂ光源とマイクロレンズアレイによる平面光源からのコリメート光を導光板・ハーフミラーにより一部反射して各色独立に制御可能としたコリメート平面光源の拡大図である。
【図３２】アクティブマトリクスの光変調部を示す平面図である。
【図３３】図３２のＡ−Ａ断面図である。
【図３４】図３２のＢ−Ｂ断面図である。
【図３５】図３２に示した画素部の等価回路図である。
【符号の説明】
２ 全反射光学部材
４ ＢＧＲの光を時間順次に発光するバックライト型平面光源
６ 光結合要素
１０ 光学要素
１２ 光路を選択する光学要素
１４ 透明媒質
１６ 空気
１４１ 拡散光を出射させる平面光源
１４１ａ コリメート光を出射させる平面光源
２１ 平面表示素子
２２ 全反射面
２３ 能動素子（ＴＦＴ）
２５ ゲート電極
２７ 絶縁膜
２９ ａ−Ｓｉ：Ｈ層
３１ ドレイン電極
３２ 信号電極
３３ ソース電極
３４ 走査電極
３５ 基板
３７ 画素電極
３８ 光拡散層
３９ 画像信号ライン
４０ 可撓薄膜
４１ 走査信号ライン
４３ 光変調部
６４ マイクロプリズムアレイ
７０ 透明媒質
７２ 全反射面
５０ 導光板
５１ 電極
５２ 支柱
５３ ダイヤフラム
１１ 空隙（キャビティ）
５５ 光拡散層
５７ 電極
６１ 平面表示素子
７１ 透明基板
７３ 誘電体多層膜ミラー
７５ 電極
７９ 電極
８０ スペーサ
８５ 光変調部
１００ 表示素子
１０１ 透明基板
１０３ 透明電極
１０５ 絶縁性遮光膜
１０７ 絶縁膜
１０９ 絶縁性支柱
１１１ 可撓薄膜である遮光板
１１３ 光変調部
１１５ 平面表示素子
１４７ 導光板
１４５ 光反射板
１４１ａ 平面光源ユニット
１４３ 光源
２００ 平面表示素子
３０１ 平面光源
３０２Ｒ 赤色光源
３０２Ｇ 緑色光源
３０２Ｂ 青色光源
３０４ マイクロレンズアレイ
３０６ コリメート入射光
３１０ 導光体
３１１ ハーフミラー等の偏向手段
３１２ 入射光を垂直方向へ偏向した出射光

Claims (14)

1. 各々独立で制御可能な複数の異なる波長を有する光源と、該光源からの光の透過率を電気機械的に制御する２次元光変調アレイとからなり、各前記光源を１フィールド期間内で時間順次に点灯させ、これに同期して前記２次元光変調アレイを駆動して光変調することを特徴とする平面表示素子。
2. 前記２次元光変調アレイが、静電気により可撓薄膜が変位する全反射式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２次元光変調アレイが、静電気により可撓薄膜が変位する光干渉式であることを特徴とする請求項１記載の平面表示素子。
4. 前記２次元光変調アレイが、静電気により可撓薄膜が変位する機械式光シャッ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。
5. 前記光源がバックライト入射型であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の平面表示素子。
6. 前記光源が導光板又は導波路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の平面表示素子。
7. 前記２次元光変調アレイが単純マトリクスで構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の平面表示素子。
8. 前記２次元光変調アレイがアクティブマトリクスで構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の平面表示素子。
9. 前記２次元光変調アレイがＴＦＴ（薄膜トランジスタ）で駆動構成されることを特徴とする請求項８記載の平面表示素子。
10. 前記光源の波長が可視光であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の平面表示素子。
11. 前記光源の波長が青、赤、緑の１色以上であることを特徴とする請求項１０記載の平面表示素子。
12. 前記光源が、蛍光ランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）、レーザ、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）、無機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）の１つ以上であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の平面表示素子。
13. 前記有機ＥＬが、基板と２次元光変調アレイの間に配置されていることを特徴とする請求項１２記載の平面表示素子。
14. 各々独立で制御可能な複数の異なる波長を有する光源と、該光源からの光の透過率を電気機械的に制御する２次元光変調アレイとからなる平面表示素子の駆動方法において、各前記光源を１フィールド期間内で時間順次に点灯させると共に、これに同期して前記２次元光変調アレイを駆動して光変調することを特徴とする平面表示素子の駆動方法。

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