JP2012230345A - 光学フィルター、表示セル及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属微粒子を用いる光学フィルターであって、吸収、透過、拡散波長を調整可能である光学フィルター、このような光学フィルターを用いた表示セル、表示セルを備えた表示装置を提供する。
【解決手段】２つ以上の形状異方軸を持つ複数の金属微粒子４２が、可視域の光を透過する透明誘電体４１の表面又は内部に向きをそろえて設置されているフィルター部４と、フィルター部４に入射する直線偏光である入射光の偏光方向と、金属微粒子４２の形状異方軸の向きとを、相対的に変化させる方向調整手段３とを備える光学フィルター１。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学フィルター、表示セル及び表示装置に関するものである。

金属微粒子には、入射光と前記金属微粒子内の電子の振動の共鳴（表面プラズモン共鳴）によって、入射光中の特定の波長を吸収する現象があることが知られている。古くから、この現象を利用し、特定の金属微粒子をガラスに混ぜてステンドグラスとして利用されてきている。また、最近では、光学フィルターや塗料への応用も図られている。

前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴スペクトルは、金属微粒子を構成する金属の種類、粒子の大きさ、形状、周囲の屈折率に依存している。この特性を用いた光学フィルターとして、特許第４３４８７２０号には、ナノロッド状の金属微粒子を形成し、前記金属ナノロッドを樹脂に混合して分散させたフィルム状であって、可視光から近赤外光前記ナノロッドの短軸と長軸の長さを調整して、可視光から近赤外光の間の波長の光を選択的に吸収する光学フィルターが開示されている。

また、特開２００５−１２６３１０号公報には、貴金属をナノロッド状に形成し、ナノロッドの短軸及び長軸に由来する性質を発現させ、ガラス等に近赤外線遮蔽性及び意匠性を付与できる光学フィルターが開示されている。

例えば、カラー表示可能な液晶表示パネルでは、各画素が、赤の光（Ｒ波長域の光）、緑の光（Ｇ波長域の光）、青の光（Ｂ波長域の光）それぞれを透過するように構成されている。各光を透過させる部材として、上述の光学フィルターが用いられることが多い。すなわち、特許４３４８７２０号公報に記載のカラーフィルターや特開２００５−１２６３１０号公報に記載のカラーフィルターで、ＲＧＢの各光を透過させる光吸収スペクトルのカラーフィルターを形成し、各色のカラーフィルターを適度に画素に敷き詰め、そのカラーフィルターに入射する光を調整することで、画素の色を決定している。

特許４３４８７２０号公報 特開２００５−１２６３１０号公報

しかしながら、特許４３４８７２０号公報のカラーフィルターは、ロッド状の微粒子の長軸に起因する吸収波長を有するカラーフィルターであり、特開２００５−１２６３１０号公報では、ナノロッドの短軸及び長軸に起因する吸収波長を有したカラーフィルターであり、一度製造したカラーフィルターの吸収、透過、散乱波長を調整、変化させることはできず、予め異なる吸収、透過、散乱波長を有する複数種類のカラーフィルターが必要である。

また、ＲＧＢの各カラーフィルターを用いる場合、ＲＧＢいずれか一色を表示する、つまり、他の色の光を遮断する構成となっており、光の利用効率が悪くなる場合がある。

そこで本発明は、金属微粒子を用い、吸収される、透過する、拡散する波長を調整できる光学フィルターを提供することを目的とする。また、このような光学フィルターを用いた表示セル、前記表示セルを備えた表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、２つ以上の形状異方軸を持つ複数の金属微粒子が、可視域の光を透過する透明誘電体の表面又は内部に向きをそろえて設置されているフィルター部と、前記フィルター部に入射する直線偏光である入射光の偏光方向と、前記金属微粒子の形状異方軸の向きとを、相対的に変化させる方向調整手段とを備える光学フィルターを提供する。

この構成によると、入射光の偏光方向と、前記金属微粒子の形状異方性の向きを、相対的に変化させるという容易な方法で、前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長を調整することができる。また、本光学フィルターは、長軸と短軸に対応した２色に加え、長軸および短軸の中間の偏光方向を入射すると、表面プラズモン共鳴波長がシフトすることから、３つの共鳴波長を用いてフルカラーを表示させることが可能である。

このことから、フルカラー表示を行う従来のＲＧＢそれぞれの波長の光を抽出するカラーフィルターを用いるものに比べて、光学フィルターの枚数を減らすことができ、開口率を大きくすることができ、光利用効率を高めることができる。

上記構成において、前記方向調整手段は、直線偏光を持つ入射光の偏光方向を、金属微粒子の形状異方軸に平行または垂直な方向に回転させるものであってもよい。この構成によると、液晶素子などの既存の簡易な方法で金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長を調整することができる。

上記構成において、前記透明誘電体は前記複数の金属微粒子を回転自在に支持しており、前記方向調整手段が前記複数の金属微粒子を、前記透明誘電体上または内部において、向きを揃えた状態で回転させるものであってもよい。この構成によると、偏光方向を回転させる手段が必要ないため、光の透過率の低下を抑制することができる。これにより、消費エネルギーを低減することができる。

上記構成において、前記複数の金属微粒子が３つの形状異方軸を持ち、前記方向調整手段が前記複数の金属微粒子を、前記透明誘電体上または内部において、前記透明誘電体の面直方向にも回転させるものであってもよい。この構成によると、前記金属微粒子が３つの表面プラズモン共鳴波長を持つことになるため、１枚の光学フィルターでフルカラー表示が可能な光学フィルターとなる。よって、光学フィルターの枚数を減らすことができるため、光利用効率を高くすることができる。

上記構成において、前記複数の金属微粒子が光の照射方向に配列されており、その配列間隔は、金属微粒子の照射方向の長さの５倍以上である。この構成によると、金属微粒子の相互作用によるピークシフトを防ぐことができるため、金属微粒子単体の吸収ピークのみを考えて、金属微粒子の形状を設計することができる。

本発明は、上記いずれかの光学フィルターと、可視域の光を出射する光源と、前記光学フィルターに入射する光の強度を調整する光強度調整部とを備えている表示セルを提供する。

この構成によると、１つの光学フィルターで２色およびその混色を表現できる透過型表示装置となる。よって、フルカラー表示するために必要なフィルターの枚数を２枚以下とすることが可能であるため、開口率が高く、光の利用効率を高めることができる。

さらに、長軸と短軸に対応した２色に加え、長軸および短軸の中間の偏光方向を入射すると、表面プラズモン共鳴波長がシフトすることから、３つの共鳴波長を用いてフルカラーを表示させることも可能となる。また、金属微粒子を３次元的に回転させる場合には、１枚の光学フィルターで３つの表面プラズモン共鳴波長を持つことになるため、１枚の光学フィルターでフルカラー表示が可能となる。よって、光学フィルターの枚数を減らすことができるため、光利用効率を高くすることができる。

上記構成において、前記光学フィルターを２枚備え、前記２枚の光学フィルターの両方が、前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長が赤色の補色となる波長を含むフィルター部を備えていてもよい。

この構成によると、人間の目の感度が低い赤色を、２枚の光学フィルターで表現することで、赤色に対する開口率が上がるため、入射光強度を高めなくてもよく、消費エネルギーを低減することが可能である。

上記構成において、前記光学フィルターを２枚備え、前記２枚の光学フィルターのうち片方が赤色と青色の補色、もう片方が緑色と黄色の補色となる波長を含むフィルター部を備えていてもよい。この構成によると、２枚光学フィルターで４色を表現することができ、より高精細な色表現が可能であるとともに、明るい白色を表現することができる。

本発明は、上記いずれかの光学フィルターと、可視域の光の反射率を小さくするための反射防止層と、前記光学フィルターに入射する光の強度を調整する光強度調整部とを備えている表示セルを提供する。

この構成によると、本発明の光学フィルターを用いているため、１つの光学フィルターで２色およびその混色を表現できる反射型表示セルとすることができる。

上記構成において、前記光学フィルターを２枚備え、前記該２枚の光学フィルターにおいて、前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長が、赤色であるフィルター部を備えていてもよい。

この構成によると、人間の目の感度が低い赤色を、２枚の光学フィルターで表現することで、赤色に対する開口率が上がるため、入射光強度を高めなくてもよく、消費エネルギーを低減することが可能である。

本発明は、上記いずれかの光学フィルターと、可視域の光を散乱させる散乱層と、前記光学フィルターに入射する光の強度を調整する光強度調整部とを備える表示セルを提供する。

この構成によると、本発明の光学フィルターを用いているため、１つの光学フィルターで２色およびその混色を表現できる散乱型表示セルとすることができる。

上記構成において、前記光学フィルターを２枚備え、前記光学フィルターのうち１枚の光学フィルターが、前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長が、可視域以外であるフィルター部を備えていてもよい。この構成によると、可視域以外の表面プラズモン共鳴波長を起こすことにより、白色を表現できるため、フルカラー表示が可能となる。

本発明は、上記いずれかの表示セルを複数個備えており、前記複数個の表示セルを２次元配列している表示装置を提供する。

上記構成において、表示装置が、画像データが入力されるデータ入力部と、前記方向調整手段を制御する方向調整部駆動回路と、前記光強度調整部を制御する光強度調整部駆動回路と、前記画像データに基づいて前記各表示セルで表示する色及び強度を決定し、前記色及び強度に基づいて各表示セルの前記方向調整手段及び前記光強度調整部とを駆動するように、前記方向調整部駆動回路及び前記光強度調整部駆動回路に指示を出す演算部を備えていてもよい。

本発明によると、金属微粒子を用いる光学フィルターであって、吸収、透過、拡散波長を調整可能である光学フィルターを提供することを目的とする。また、このような光学フィルターを用いた表示セル、前記表示セルを備えた表示装置を提供することができる。

本発明にかかる光学フィルターの一例を示す斜視図である。 吸収スペクトルのピーク波長と、銀の金属微粒子に対する入射光の偏光方向との関係を示す図である。 吸収スペクトルのピーク波長と、銀の金属微粒子に対する入射光の偏光方向との関係を示す図である。 吸収スペクトルのピーク波長と、銀の金属微粒子に対する入射光の偏光方向との関係を示す図である。 平面上に配列した金属微粒子に入射光の偏光方向と金属微粒子直後の電場強度を示す図である。 本発明にかかる表示装置の一例を示す概略図である。 本発明にかかる表示装置の他の例を示す概略図である。 本発明にかかる表示装置のさらに他の例を示す概略図である。 二次元配列した銀の金属微粒子を光の照射方向に重ねて配置したときの層数と遠視野における電場強度との関係を示す図である。 二次元配列した銀の金属微粒子を光の照射方向に重ねて配置したときの層間間隔と遠視野における電場強度との関係を示す図である。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。まず、本発明にかかる光学フィルターの構成及び製造方法について説明する。

（光学フィルターの構成）
図１は本発明にかかる光学フィルターの一例の概略斜視図である。なお、以下説明する図において、特段の記載のない場合、図１等に示しているように、紙面左右方向をＸ方向、紙面奥行き方向をＹ方向、紙面上下方向をＺ方向とする。

図１に示すように、光学フィルター１は、入射光のうち、特定波長域の光が透過する（特定波長域の光を吸収する）フィルターである。光学フィルター１は、偏光板２、方向調整部３（方向調整手段）及びフィルター部４を備えており、光入射側（光源側）から、偏光板２、方向調整部３、フィルター部４の順番に配置されている。

偏光板２は、入射光から特定の直線偏光のみを取り出すものであり、従来よく知られた、偏光板と同じ構成を有している。なお、入射光が直線偏光のみの場合は、偏光板２を省略してもかまわないが、光学フィルター１では、偏光板２を用いているものとする。入射光は偏光板２を通過することで同じ偏光方向の直線偏光になり、方向調整部３に入射する。なお、図１に示す光学フィルター１において、偏光板２は偏光方向がＸ方向（Ｘ偏光）の光を取り出すものとする。

方向調整部３は、偏光板２を透過した直線偏光の光の偏光方向を相対的に変化させるものである。方向調整部３は、液晶を備えた光学素子であり、所定の間隔をあけて平行に配置された一対の平板電極基板の間に液晶が充填されている。方向調整部３は、偏光板２とフィルター部４との間に配置されている。方向調整部３は、外部から駆動用の電気信号が送られる（液晶に電圧を印加される）ことにより、入射された直線偏光を回転させることができる。なお、方向調整部３の液晶を挟む電極は、できれば透明が好ましく、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）またはインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等を用いた透明電極を挙げることができる。

また、方向調整部３は、液晶を用いたものに限定されるものではなく、例えば、ファラデー素子や１／２波長板を用いたものであってもよい。ファラデー素子とは磁界によって透過する光の偏光方向を調整する素子であり、液晶同様、電極に外部から動作の電気信号を入力することで、入射された直線偏光を回転させることができる。また、１／２波長板であれば、ユーザが手動で回転又は外部信号により自動で回転させることで、入射された直線偏光を回転させることができる。

フィルター部４は、透明誘電体４１と、金属微粒子４２とを備えている。透明誘電体４１は、金属微粒子４２を分散させるための基板であり、一定の光（ここでは、可視光領域の光）に対して透明な基板である。透明誘電体４１は、ガラス基板、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等の有機フィルムを用いることができる。

なお、方向調整部３として液晶を用いる場合、フィルター部４の透明誘電体４１を方向調整部３の一方の電極基板と兼用とすることも可能である。この構成の場合、例えば、次の方法で作製される。透明誘電体４１であるガラスの一面に金属微粒子４２を分散させ、もう一面に透明電極としてＩＴＯ膜を高周波スパッタ法により形成した後、フォトリソグラフィー法により電極パターンを形成する。その後、配向膜を塗布し、ラビングした後、他方の電極基板を透明誘電体４１に平行に配置し、他方の電極基板と透明誘電体４１の間に液晶を充填し、封入する。以上の方法で、方向調整部３とフィルター部４とを一体的に作製することが可能である。

金属微粒子４２は、表面プラズモン共鳴を起こす金属であり、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、白金、パラジウム等がよく用いられている。図１に示すように、金属微粒子４２はＹ方向の長さがＸ方向の長さよりも長い楕円球形状を有している。このＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の長さは、数ｎｍから１００ｎｍ程度である。詳細は後述するが、この金属微粒子４２の長さとその相対的な比率（以下、アスペクト比と称する）及び入射光の偏光方向によって、フィルター部４を透過する光のうち吸収（散乱）される波長が決定される。なお、図１に示す金属微粒子４２は、楕円球形状のような角部が丸いものであるが、これに限定されるものではなく、例えば直方体や円柱、楕円柱のように角部が丸くないものでもよい。金属微粒子は、少なくとも異なる２方向で長さが異なるように形成されていればよい。

図１に示すように、金属微粒子４２は、透明誘電体４１の表面に分散されている。金属微粒子４２は、全て同じ形状及び大きさを有するとともに、配向を同じくして、等間隔に並んで配置されている。なお、金属微粒子４２は透明誘電体４１の内部に分散されていてもよく、配向方向が同じであれば、等間隔でなくてもよい。金属微粒子４２を透明誘電体４１に配列する方法は、例えば、流動法、ラングミュアーブロジェット法、バブルインフレート法、電界による配列及びロールツーロール方式等がある。

また、図１に示すフィルター部４では、金属微粒子４２が２次元（Ｘ方向及びＹ方向）配列されているが、３次元配列されていてもよい。また、金属微粒子４２の量（単位面積或いは単位体積当たりの量）は多いほうがよいが、金属微粒子４２同士が接触したり、接近しすぎたりすると、単体のときとは異なる光学特性となる場合がある。光学特性の変化を抑制するために、金属微粒子４２間の距離は、５ｎｍ以上であることが好ましいことが知られている。

フィルター部４は次のようにして作製される。ガラス、プラスチック、高分子などの固体の透明誘電体４１の表面に、金属膜を成膜し、その後、金属微粒子４２となる部分をマスクし、フォトリソグラフィープロセスなどにより、周囲の部分を除去する。また、透明誘電体４１として光硬化樹脂を用いる場合、金属微粒子４２を所望の向きに揃えた後、光硬化樹脂を硬化させ、金属微粒子４２を固定してもよい。なお、作成方法はこれに限定されるものではない。

ここで、フィルター部４による特定波長を吸収（散乱）する機構の説明を、具体的なシミュレーション結果に基づいて説明する。フィルター部４は金属微粒子４２に光が入射したときにおきる表面プラズモン共鳴を利用し、特定波長（表面プラズモン共鳴波長或いは単に共鳴波長と称する場合がある）を吸収（散乱）している。

フィルター部４の表面プラズモン共鳴波長を説明するため、まず、空気中に存在する金属微粒子に入射光が入射したときに表面プラズモン共鳴によって吸収される波長について図面を参照して説明する。図２Ａ−図２Ｃは、金属微粒子として銀の微粒子に所定の偏光方向の光が入射したときの散乱断面積の近接場成分を示す図である。図２Ａ−図２Ｃの結果は、異なる形状モデルの銀の微粒子に光を入射させたシミュレーションを行って得られたものである。

図２Ａ−図２Ｃのシミュレーションに用いた銀の微粒子の形状モデル及び入射光との関係は次のとおりである。図２ＡはＸ方向のサイズが５ｎｍ、Ｙ方向のサイズが２０ｎｍ、Ｚ方向のサイズが１００ｎｍである銀の金属微粒子が空気中に存在するときＺ方向に進行する光の偏光方向をＸ方向及びＹ方向とした結果である。図２ＢはＸ方向のサイズが２０ｎｍ、Ｙ方向のサイズが１００ｎｍ、Ｚ方向のサイズが５ｎｍである銀の金属微粒子が空気中に存在するときＺ方向に進行する光の偏光方向をＸ方向及びＹ方向としたときの結果である。図２ＣはＸ方向のサイズが５ｎｍ、Ｙ方向のサイズが１００ｎｍ、Ｚ方向のサイズが２０ｎｍである銀の金属微粒子が空気中に存在するときＺ方向に進行する光の偏光方向をＸ方向及びＹ方向としたときの結果である。

すなわち、図２Ａ−図２Ｃは同じ形状（アスペクト比）及びサイズの銀の微粒子と偏光方向とを相対的に回転させたときの結果である。なお、入射光は銀の微粒子によりレイリー散乱されるものとして計算している。散乱断面積の近接場成分とは、金属微粒子（銀の微粒子）に照射された光による近接場光の発生、すなわち、表面プラズモン共鳴の強度に対応するものである。遠視野で見ると、近接場光は吸収されたことになるので、この波長を除いた光、つまり、表面プラズモン共鳴による近接場光の波長（表面プラズモン共鳴波長）の補色の光が見える。このことから、図２Ａ−図２Ｃは入射光に対する吸収スペクトルと捉えることが可能である。

図２Ａ−図２Ｃは、銀の微粒子に対する入射光の入射方向及び偏光方向が変化したときの吸収波長の変化を示している。図２Ａの構成では、Ｘ偏光の光が入射したとき、３３０ｎｍの近辺の波長が吸収され、Ｙ偏光の光が入射したとき、４３０ｎｍ近辺の波長が吸収されていることがわかる。同様に図２Ｂの構成では、Ｘ偏光の光が入射したとき、４３０ｎｍの近辺の波長が吸収され、Ｙ偏光の光が入射したとき、９４０ｎｍの近辺の波長が吸収されていることがわかる。さらに、図２Ｃの構成ではＸ偏光の光が入射したとき、３３０ｎｍの近辺の波長が吸収され、Ｙ偏光の光が入射したとき、９４０ｎｍの近辺の波長が吸収されていることがわかる。

以上のことから、金属微粒子（ここでは、銀の微粒子）に対する入射光の偏光方向が９０度回転することで、吸収（散乱）される波長（波長域）が変化していることがわかる。また、光の偏光方向を固定し、金属微粒子を回転させても同様の結果となることはいうまでもない。

次に、二次元配列した銀の金属微粒子に偏光方向を変えた光を入射させたときの吸収スペクトルについて説明する。図３は平面上に配列した金属微粒子に入射光の偏光方向と金属微粒子直後の電場強度を示す図である。図３はＦＤＴＤシミュレーションを行った結果であり、そのモデルは次のとおりである。Ｘ方向のサイズが３０ｎｍ、Ｙ方向のサイズが６０ｎｍ、Ｚ方向のサイズが１０ｎｍである楕円柱形状の銀の金属微粒子を、１００ｎｍの周期でＸＹ平面内に二次元配列したものに、偏光方向を変えた光を入射させた。なお、入射光はＺ方向に伝播する平面波であり、偏光方向がＸ軸と平行なときを０度としている。そして、入射光の偏光方向を０度、３０度、４５度、６０度及び９０度に変化させて入射している。

この電場強度は、主に金属微粒子（銀の微粒子）で励起された表面プラズモン共鳴により増強された電場である。電場強度はほとんどが金属微粒子の近傍に存在する近接場光として現れ、一部が散乱光として遠視野に伝播する。遠視野で見ると、近接場光は吸収されたことになるため、この近接場光の波長を除く波長の光、つまり、表面プラズモン共鳴波長の補色が見えることになる。つまり、遠視野では表面プラズモン共鳴波長の補色の光が観察されることから、図３は吸収スペクトルと捉えることができる。

図３において、偏光方向が９０度（Ｙ偏光）のときに６５０ｎｍ近辺に吸収ピークを有している、すなわち、６５０ｎｍ近辺の波長を吸収している。一方、偏光方向が０度（Ｘ偏光）のときは４５５ｎｍ近辺に吸収ピークを有している、すなわち、４５５ｎｍ近辺の波長を吸収していることがわかる。そしてその中間の偏光方向の光では、金属微粒子の向きと偏光方向の相対角度により、これら２つの吸収ピークの相対強度が決まる。これによって、この２波長の間の波長域の光が透過するバンドパスフィルターを形成することができる。よって、金属微粒子の２つの形状異方軸に、それぞれに平行な偏光成分がどのくらいの比率で入射されるかにより、すなわち、金属微粒子の形状異方性と偏光方向とを調整することにより、各方向に対応した吸収ピークの吸収強度を変えることができる。

また、図３において、０°入射のときの短軸方向の吸収波長が４５５ｎｍ近辺であるのに対し、３０°、４５°、６０°入射のときは４７０ｎｍ近辺に長波長シフトしている。これは、表面プラズモン共鳴が、完全な短軸方向で行われていないためである。よって、この現象を利用して、吸収波長を調整することもできる。

これらのことより、フィルター部の金属微粒子の形状及び配列と、フィルター部への入射光の偏光方向とを適切に調整することで、光学フィルターの吸収ピークの位置を所望の位置に設定することができる。すなわち、光学フィルターを所望の吸収スペクトルを持つ光学フィルターとすることができる。

上述したように、本発明の光学フィルター１では、フィルター部４は透明誘電体４１に金属微粒子４２を拡散させた構成であり、金属微粒子４２が２次元配列されている。そして、光学フィルター１は偏光板２と方向調整部３とで、フィルター部４に入射する入射光の偏光方向を調整できる構成となっている。この構成の光学フィルター１の動作は以下のとおりとなる。

上述したとおり、図１の光学フィルター１において、偏光板２を透過した光の偏光方向がＸ方向（Ｘ偏光）である。方向調整部３が、偏光方向を回転させない場合、金属微粒子４２にＸ偏光の入射光が入射する。このＸ偏光の入射光によって金属微粒子４２のＸ方向のサイズに対応した表面プラズモン共鳴が発生し、Ｘ方向のサイズに起因した波長域の光が吸収される（図１において、金属微粒子４２はＸ方向が短軸となっているので、図３のシミュレーションで用いた金属微粒子を用いた場合、吸収ピークの波長は短軸方向の４５５ｎｍとなる）。

一方、方向調整部３が偏光方向を９０度回転させると、金属微粒子４２にＹ偏光の入射光が入射する。このＹ偏光の入射光によって、金属微粒子４２のＹ方向サイズに対応した表面プラズモン共鳴が発生し、金属微粒子４２のＹ方向のサイズに依存した波長域の光が吸収される（図１において、金属微粒子４２はＹ方向が長軸となっているので、図３のシミュレーションで用いた金属微粒子を用いると、吸収ピークの波長は長軸方向の６５０ｎｍとなる）。

さらに、方向調整部３が、偏光方向を０度から９０度の間に回転させる場合、金属微粒子４２にはＸ偏光成分とＹ偏光成分を備えた入射光が入射する。この入射光は金属微粒子４２のＸ方向の表面プラズモン共鳴とＹ方向の表面プラズモン共鳴が、各成分の比率に対応して起こるため、これらの重ね合わせとなる。図３に示したように、吸収ピークの波長域がシフトする。

ここで、二次元配列した銀の金属微粒子に光を入射させ、遠視野で観察したときの吸収スペクトルについて説明する。図７Ａは、二次元配列した銀の金属微粒子を光の照射方向に重ねて配置したときの層数と遠視野における電場強度との関係を示す図であり、図７Ｂは、二次元配列した銀の金属微粒子を光の照射方向に重ねて配置したときの層間間隔と遠視野における電場強度との関係を示す図である。

図７Ａにおいて、破線は図３と同じ構成（すなわち１層）のときの吸収スペクトルであり、点線は図３と同じ形状の金属微粒子を間隔１００ｎｍで５層重ねた構成のときの吸収スペクトルであり、実線は図３と同じ形状の金属微粒子を間隔１００ｎｍで８層重ねた構成のときの吸収スペクトルを示している。なお、５層と８層の結果については、他のグラフと重ならないよう、縦軸をずらして表示している。

図７Ａに示しているように、１層、５層及び８層いずれの場合でも、図３において偏光方向が０°のときの吸収のピークと同じ波長付近で電場強度が下がっている。すなわち、図３に示した金属微粒子直後の電場強度は、表面プラズモン共鳴により増強された電場であり、遠視野ではこの表面プラズモン共鳴波長の補色の光が観察されてということである。さらに、複数層重ねた場合でもその吸収スペクトルは、図３における偏光方向０°のときの吸収スペクトルと対応する。そして図７Ａに示しているとおり、金属微粒子を重ねる層数が多くなると、表面プラズモン波長において吸収される光の量が増え、このことから、コントラストを高くすることが可能である。

図７Ｂにおいて、破線は図３と同じ構成（すなわち１層）のときの吸収スペクトルであり、点線は図３と同じ形状の金属微粒子を間隔３０ｎｍで８層に重ねた構成のときの吸収スペクトルであり、鎖線は図３と同じ形状の金属微粒子を間隔５０ｎｍで８層に重ねた構成のときの吸収スペクトルであり、一点鎖線は図３と同じ形状の金属微粒子を間隔６０ｎｍで８層に重ねた構成のときの吸収スペクトルであり、実線は図３と同じ形状の金属微粒子を間隔７０ｎｍで８層に重ねた構成のときの吸収スペクトルを示している。なお８層のときの結果は、他のグラフと重ならないよう、縦軸をずらして表示している。

図７Ｂに示すように、間隔が３０ｎｍの構成では１層の構成に比べて吸収ピークがシフトしている。一方で、間隔が５０ｎｍ以上の構成では吸収ピークが１層の構成とほぼ同じ位置に戻っている。これは、層間の間隔が狭いことで、近傍の粒子同士で相互作用が発生して吸収ピークの波長がシフトしているものと考えられる。そして、間隔を５０ｎｍ以上に広げることにより、近傍の粒子同士で相互作用が起きなく（起きにくく）、吸収ピークの波長が１層のときとほぼ同じ波長に戻っていると考えられる。

この相互作用しなくなる十分な間隔は、金属微粒子の光照射方向の長さに依存する。すなわち、本シミュレーションにおいて、金属微粒子のＺ方向の長さは１０ｎｍであり、上述のように近傍の粒子同士で相互作用が発生しにくい十分な間隔である５０ｎｍは、金属微粒子のＺ方向の長さの約５倍にあたる。よって、金属微粒子を並べたときの光の照射方向の間隔は、金属微粒子の照射方向の長さの５倍以上とするのが好ましい。このように、近傍の金属微粒子同士の間隔を相互作用が起きない間隔にしておくことで、金属微粒子の相互作用によるピークシフトを防ぐことができるため、金属微粒子単体の吸収ピークのみを考えて、金属微粒子の形状を設計することができる。

以上のことから、本発明の光学フィルター１は、金属微粒子４２の長軸と短軸（図１ではＹ方向とＸ方向）それぞれに対応した２つの表面プラズモン共鳴波長に吸収ピークを有する構成とすることが可能である。これにより、本発明の光学フィルターは金属微粒子４２を適切に選択することで、赤色及び青色を発現する光学フィルターと緑色（及び赤色）を発現する光学フィルターとすることが可能であり、２枚の光学フィルターでフルカラー表示が可能である。吸収波長が固定された従来の光学フィルター（例えば、ＲＧＢに塗り分けられたカラーフィルター）に対して、光学フィルターの枚数を減らすことができ、光利用効率を高めることが可能である。

また、上述しているように、入射光の偏光方向の回転によって表面プラズモン共鳴のピークをシフトさせることができる。すなわち、金属微粒子４２の長軸と短軸（図１ではＹ方向とＸ方向）それぞれに対応した２つの表面プラズモン共鳴波長及びシフトした表面プラズモン共鳴波長に吸収ピークを有する構成とすることができる。すなわち、本発明の光学フィルター１では、３つの表面プラズモン共鳴波長を有する。光学フィルター１では、金属微粒子４２を適切に選択することで、赤色、緑色、青色を発現することが可能であり、１枚の光学フィルターでフルカラー表示を行うことが可能である。これにより、吸収波長が固定された従来の光学フィルター（例えば、ＲＧＢに塗り分けられたカラーフィルター）に対して、光学フィルターの枚数を減らすことができ、光利用率をさらに高めることが可能である。

以上、方向調整部３が入射光の偏光方向を回転させることで、金属微粒子４２と入射光の偏光方向との相対関係を調整する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、方向調整部が、金属微粒子４２を回転させる構成であってもよい。この場合、金属微粒子４２が回転しやすいように透明誘電体４１がジェル或いは液体であることが好ましい。金属微粒子４２を回転させ、入射光の偏光方向との相対関係を調整しても同様の光学フィルターを得ることができる。

金属微粒子４２に電圧を印加することで、金属微粒子４２の長軸が電圧間の方向になるように配列することが知られている。そこで、金属微粒子４２を回転させる方法としては、方向調整部３がフィルター部４に電界を発生させることができる構成（例えば、電極）とし、金属微粒子４２に電界を作用させることで、金属微粒子４２を配列させるものを挙げることができる。

この特徴を利用し、電極を２対設け、電極間にかける電圧を調整することにより、金属微粒子４２を３次元的に回転させることも可能である。金属微粒子４２を３次元的に回転させることで、１枚の光学フィルターで３つの表面プラズモン共鳴波長を持つことになるため、１枚の光学フィルターでフルカラー表示が可能な光学フィルターとすることが可能であり、光利用率をさらに高めることが可能である。

（第１の実施形態）
次に本発明にかかる表示装置について図面を参照して説明する。図４は本発明にかかる表示装置の一例の概略配置図である。図４に示す表示装置１００は、説明の便宜上、１つの表示セル１０で構成されているものとしているが、実際には複数個の表示セル１０が縦横にマトリクス状（例えば、縦１０８０個×横１９２０個）に配列されるものである。なお、以下の説明では表示セル１０について主に説明する。表示装置１００は透過型の表示装置であり、観察者によって、光学フィルター１ａ、１ｂ側（フィルター部４ａ、４ｂ側）から観察される。

図４に示すように、表示装置１００は、表示セル１０と、演算部９１と、表示データ入力部９２と、方向調整部駆動回路９３と、光強度調整部駆動回路９４とを備えている。

表示セル１０は、Ｘ方向に並んだ２つのサブセル１０ａ、１０ｂに分けられており、光学フィルター１ａ、１ｂと、光源５とを備えている。光学フィルター１ａ、１ｂはＸ方向に並んで配置されている。そして、サブセル１０ａとサブセル１０ｂとはそれぞれ異なる表示（異なる色の表示）が可能となっている。

光源５は、可視光を放射するものであればよい。なお、フルカラー表示を行う場合、光源５は白色光を放射するものが好ましい。光源５として、例えば、蛍光灯、白熱電球、ＬＥＤ、レーザ光源などが上げられる。なお、光源５の光を全面に照射する拡散板、導光板等を設けてもよい。光源が、例えば、レーザ光源のように、直線偏光の光を出射するものであれば、偏光板２を省略することができる。

光学フィルター１ａは偏光板２、方向調整部３ａ、フィルター部４ａに加えて、偏光板２と方向調整部３ａとの間に光強度調整部６ａを備えている。同様に、光学フィルター１ｂは、偏光板２、方向調整部３ｂ、フィルター部４ｂに加えて、偏光板２と方向調整部３ａとの間に光強度調整部６ｂを備えている。なお、偏光板２は、光学フィルター１ａ、１ｂで共通の部材となっている。また、以下、方向調整部３ａ、３ｂは、液晶素子であり、入射光の偏光方向を調整するものとして説明するが、入射光の偏光方向と金属微粒子４２ａ、４２ｂの異方性の向きを相対的に変化できるものであればよく、これに限定されるものではない。

光学フィルター１ａ及び１ｂにおいて、偏光板２、方向調整手段３ａ、３ｂ、フィルター部４ａ、４ｂ（透明誘電体４１ａ、４１ｂ及び金属微粒子４２ａ、４２ｂ）については、上述の光学フィルター１の通りであるが、光学フィルター１ａと光学フィルター１ｂとで、金属微粒子４２ａ、４２ｂの形状が異なっている。例えば、サブセル１０ａで赤色から青色までの色を表示し、サブセル１０ｂで緑色を表示すれば、表示セル１０で３原色を表現することができる。

なお、人間の目は赤色の感度が低いため、赤色をサブセル１０ａだけで表示する場合、入射光の強度を強くする必要がある。サブセル１０ａとサブセル１０ｂの両方で赤色を表示できるようにすれば、赤色表示時の開口率が上がるため、入射光強度を強くする必要がなくなる。以上のことから、表示セル１０では、サブセル１０ａで赤色及び青色を表示し、サブセル１０ｂで赤色及び緑色を表示する。光学フィルター１ａは赤色及び青色を発現し、光学フィルター１ｂは赤色及び緑色を発現する。

図４に示す表示セル１０において、サブセル１０ａは赤色及び青色を表示するので、フィルター部４ａは４９０〜５００ｎｍと５８０〜５９５ｎｍの２つの波長領域に吸収ピークを持つような金属微粒子４２ａを備えている。サブセル１０ｂは緑色及び赤色を表示するので、フィルター部４ｂは、７５０〜８００ｎｍと４９０〜５００ｎｍに吸収ピークを持つような金属微粒子４２ｂを備えている。

光強度調整部６ａ、６ｂは、金属微粒子４２ａ、４２ｂに入射する光の強度（換言すると、光の透過度合）を調整するものである。光強度調整部６ａ及び６ｂは光学フィルター１ａと１ｂを総合して所望の色に見えるようにするものであり、偏光板と液晶素子を組み合わせたものである。すなわち、偏光板２を透過した光を光強度調整部６ａ、６ｂの液晶で偏光方向を回転させ、光強度調整部６ａ及び６ｂの偏光板に照射すればよい。このとき、光強度調整部６ａ、６ｂを透過した光は、一定の偏光方向を持っており、方向調整部３ａ、３ｂは、上述した光学フィルター１に示した動作を行うことができる。

また、光強度調整部６ａ、６ｂとして、電荷を与えることで、色が変わるエレクトロクロミック材料を用いてもよい。エレクトロクロミック材料を用いた光強度調整部６ａ、６ｂに電圧をかけることで透過する光の強度（透過度合）を変化させることができる。なお、本実施形態では、光強度調整部６ａ、６ｂを偏光板２と方向調整部３ａ、３ｂとの間に設置しているが、偏光板２と光源５との間、又はフィルター部４ａ、４ｂの上（観察者側）に設置してもよい。

方向調整部駆動回路９３は、演算部９１から与えられたデータに基づいて、方向調整部３ａ、３ｂに電気信号を送り、入射された直線偏光を所望の偏光方向に回転させるためのものである。光強度調整部駆動回路９４は、演算部９１から与えられたデータに基づいて、光強度調整部６ａ、６ｂに電気信号を送り、光強度調整層６ａ、６ｂを透過する光強度を制御するものである。なお、光源５がサブセル１０ａ、１０ｂごとにそれぞれに独立している構成の場合、光強度調整部駆動回路９４が、光源５に電気信号を送り、発光強度の調整を行う構成であってもよい。このとき、光強度調整部６ａ、６ｂを省略することができ、光の透過率を高めることが可能である。

方向調整部３ａ、３ｂは液晶素子であることから、対向に配置された電極が設置されている。また、光強度調整部６ａ、６ｂも液晶素子を挟んで電極が設置される。これらの電極はできれば透明であることが好ましく、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）またはインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の透明電極を用いることができる。また、方向調整部３ａと光強度調整部６ａ、方向調整部３ｂと光強度調整部６ｂは中央に共通の電極（例えば、接地電極）を備えるようにしてもよい。

表示データ入力部９２は、例えば、ＤＶＤ装置、ＢＤ装置等のディスク装置やＰＣ等から送られ、表示装置１００で表示する画像、映像のデータが入力される部分である。なお、入力される画像、映像データは、表示セル１０ごとの色データ、輝度データを備えたデータを挙げることができる。演算部９１は、表示データ入力部９２から与えられた画像、映像データを、本表示セル１０で表示するために、各セルに対する入射光の強度及び偏光方向を演算し、その結果を各セル１０へ出力する処理回路を含む。

次に表示装置１００の動作について説明する。まず、表示データ入力部９２に画像・映像データが入力される。演算部９１は、画像・映像データに基づいて各表示セル１０での色及び強度を決定し、色の情報よりフィルター部４ａ、４ｂに入射する入射光の偏光方向と、その入射光の強度を算出する。そして、演算部９１は、入射光の偏光方向の情報を含む信号を方向調整部駆動回路９３に、強度の情報を含む信号を光強度調整部駆動回路９４にそれぞれ送信する。

方向調整部駆動回路９３は演算部９１からの信号に基づいて方向調整部３ａ、３ｂに駆動信号を送る。また、光強度調整部駆動回路９４は演算部９１からの信号に基づいて光強度調整部６ａ、６ｂに駆動信号を送る。なお、方向調整部３ａ、３ｂに送られる駆動信号は独立した信号であり、液晶を駆動するための電圧を電極基板に印加するものである。同様に、光強度調整部６ａ、６ｂに送られる駆動信号も独立した信号であり、液晶を駆動するための電圧を電極基板に印加するものである。

光強度調整部駆動回路９４から駆動信号を受けることで光強度調整部６ａおよび６ｂは、光源５からの光の透過率を調整し、方向調整部３ａ、３ｂに入射する入射光の強度を調整する。一方で、方向調整部駆動回路からの駆動信号を受けることで方向調整部３ａ、３ｂは、入射光の偏光方向を回転調整する。光強度調整部６ａ、６ｂ及び方向調整部３ａ、３ｂによって偏光方向及び強度が調整された入射光がフィルター部４ａ、４ｂに入射する。フィルター部４ａ、４ｂから出射した光は、金属微粒子４２ａ、４２ｂの形状異方性と偏光方向によって決められた波長が吸収される。このようにして、サブセル１０ａ、１０ｂすなわち表示セル１０で所望の色表示がなされる。

以下に、本発明にかかる表示セル１０で赤色、緑色、青色、これらの中間色、白色、黒色のそれぞれを表示する場合について説明する。

赤色を表示する場合は以下のとおりである。方向調整部駆動回路９３が、方向調整部３ａ、３ｂをフィルター部４ａ、４ｂへ入射する光の偏光方向を赤色が表示されるように制御する。そして、光強度調整部駆動回路９４が光強度調整部６ａ、６ｂを制御し、方向調整部３ａ、３ｂへの入射光の強度を最適な強度にする。表示セル１０の各部をこのように制御することで、サブセル１０ａ、１０ｂの両方で赤色が表示される。これにより、表示セル１０は、赤色表示となる（遠視野において赤色表示となる）。

緑色を表示する場合は以下のとおりである。方向調整部駆動回路９３が、方向調整部３ｂをフィルター部４ｂへ入射する光の偏光方向を緑色が表示されるように制御する。そして、光強度調整部駆動回路９４が光強度調整部６ｂを制御し、方向調整部３ｂへの入射光の強度を最適な強度にする。また、光強度調整部駆動回路９４が光強度調整部６ａを制御し、方向調整部３ａへの入射光を遮断（入射光の強度をゼロに）する。表示セル１０の各部をこのように制御することで、サブセル１０ａでは表示がされず（黒表示）、サブセル１０ｂでは緑色が表示される。これにより、表示セル１０は、緑色表示となる（遠視野において緑色表示になる）。

青色を表示する場合は以下のとおりである。方向調整部駆動回路９３が、方向調整部３ａをフィルター部４ａへ入射する光の偏光方向を青色が表示されるように制御する。そして、光強度調整部駆動回路９４が光強度調整部６ａを制御し、方向調整部３ａへの入射光の強度を最適な強度にする。また、光強度調整部駆動回路９４が光強度調整部６ｂを制御し、方向調整部３ｂへの入射光を遮断（入射光の強度をゼロに）する。表示セル１０の各部をこのように制御することで、サブセル１０ａでは青色が表示され、サブセル１０ｂでは表示がされない（黒表示）。これにより、表示セル１０は、青色表示となる（遠視野において青色表示となる）。

赤色、青色及び緑色の相対的な強度を適切に調整することで、中間色の表示が可能である。さらに、サブセル１０ａで赤色及び青色を、サブセル１０ｂで緑色又は赤色及び緑色を表示するようにすることで、表示セル１０は白色表示となる。

なお、サブセル１０ｂで緑色及び黄色を表示するようにしておけば、サブセル１０ａで青色を、サブセル１０ｂで黄色を表示するようにすることで、表示セル１０は擬似的に白色表示となる。これは、サブセル１０ａ、１０ｂで表示できる色が、互いに補色になる組み合わせを含むようにしておけば、他の色の組み合わせでも可能である。また、サブセル１０ａで青色と赤色を、サブセル１０ｂで緑色と黄色を表示するようにすることで、より明るい白色を表現することができる。

さらに、黒色表示を行う場合は、フィルター部４ａ、４ｂに光を入射させないよう、光強度調整部駆動回路９４で光強度調整部６ａ、６ｂを調整すればよい。

以上より、表示装置１００が、本発明の光学フィルター１ａ、１ｂを利用しており、金属微粒子４２ａ、４２ｂの形状異方性と光源の偏光方向の相対角度を調整することで、１つのサブセルで２色およびその混色を表現できる。このことから、フルカラー表示するために必要なフィルターの枚数を２枚以下とすることが可能である。

従来のＲＧＢ塗りわけ形カラーフィルターを用いる場合、表示セルは赤色（Ｒ）表示サブセル、緑色（Ｇ）表示サブセル及び青色（Ｂ）表示サブセルを備えている。例えば、赤色（Ｒ）表示を行うときは、緑色（Ｇ）表示サブセル及び青色（Ｂ）表示サブセルが暗表示となり２つの画素が点灯しなくなる。すなわち、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）表示を行う場合、従来の表示セルでは、６６％の無点灯領域が発生する。

上述のように、本発明にかかる表示セル１０では、偏光方向制御することで、カラーチューナブルなことから、赤色表示のときは、サブセル１０ａ、１０ｂが点灯するので、無点等領域が発生しない。また、緑色表示のときはサブセル１０ａが、青色表示のときサブセル１０ｂが無点灯となるので、無点灯領域が６６％から５０％に縮小し、光の利用効率が高く、明るい表示が可能或いは同じ表示を行う場合の消費エネルギーを低減することが可能である。

さらに、本発明の光学フィルターは、長軸と短軸に対応した２つの共鳴波長に加え、長軸および短軸の中間の偏光方向を入射し表面プラズモン共鳴のピークをシフトさせ、第３の共鳴波長を加えることができる。このような光学フィルターを用いることで、１個の光学フィルターでフルカラーに必要なＲＧＢ全ての色（ＲＧＢに対応した波長の光）を発現させることができ、表示セルは１個の光学フィルター、すなわち、１個のサブセルでフルカラー表示が可能となる。この場合、無点灯領域がなくなるため、光の利用効率をさらに高めることが可能である。また、方向調整部駆動回路９３、光強度調整部駆動回路９４も簡略化することが可能である。

なお、フィルター部４ａ、４ｂとして上述に限定されるものではなく、フィルター部４ａが４９０〜５００ｎｍと５８０〜５９５ｎｍの２つの波長領域に吸収ピークを持つ構成とした場合、フィルター部４ｂでは、少なくとも緑色を表示すればよく、フィルター部４ｂは７５０〜８００ｎｍに吸収ピークを持つようにすればよい。このように構成することで、サブセル１０ａは青色から赤色までの色を表示し、サブセル１０ｂは緑色を表示でき、表示セル１０でフルカラー表示が可能となる。さらに、フィルター部４ｂのもう１つの吸収ピークを４３５〜４８０ｎｍとすることで、サブセル１０ｂは補色として黄色を表示できる。サブセル１０ａで赤色及び青色、サブセル１０ｂで緑色及び黄色を表示できることで、表示セル１０で、ＲＧＢＹの４原色による高精細な色の表現が可能である。このとき、サブセル１０ａで青色、サブセル１０ｂで黄色を表示すれば、擬似白色を表示することもできる。フィルター部４ｂを７５０〜８００ｎｍに吸収ピークを持つとともに、もう１つの吸収ピークとして、可視域以外（４００ｎｍ未満、または８００ｎｍ以上）とすることで、サブセル１０ｂで白色を表示できる。

（第２の実施形態）
本発明にかかる表示装置の他の例について図面を参照して説明する。図５は本発明にかかる表示装置の他の例を示す概略図である。図５に示す表示装置２００の表示装置１００と実質上同じ部分には同じ符号を付すとともに、実質上同じ部分の詳細な説明は省略する。図４に示す表示装置１００が透過型表示装置であったのに対し、本実施形態の表示装置２０００は反射型表示装置である。なお、図５には図４と同様に、１個の表示セル２０で構成された表示装置２００を示しているが、実際の表示装置は複数の表示セル２０がマトリクス状に配列されている。

図５に示すように、表示セル２０は、反射型の表示セルであり、偏光板２側から入射され、フィルター部４ａ、４ｂを透過した後、散乱され、再度フィルター部４ａ、４ｂを透過し、偏光板２側から出射される。そのため、表示セル２０は光源を備えておらず、その代わりに、フィルター部４ａ、４ｂの背面側（方向調整部３ａ、３ｂと反対側）に散乱層７を備えている。

散乱層７は、フィルター部４ａ、４ｂで吸収されなかった透過光を散乱し、フィルター部４ａ、４ｂを再度通過させることで、フィルター部４ａ、４ｂによる吸収をより完全にするとともに、フィルター部４ａ、４ｂによる吸収波長以外の光を偏光板２へ戻すものである。散乱層７は、可視域の全波長に対してなるべく散乱効率が高いものが好ましく、表面に細かい凹凸を形成した基板などでもよいし、拡散板などを用いてもよい。

光は、偏光板２側から入射し、第１の実施形態で説明した動作により、フィルター部４ａ、４ｂの金属微粒子４２ａ、４２ｂで表面プラズモン共鳴を起こし、特定の波長が吸収される。しかし、フィルター部４ａ、４ｂにおいて、複数の金属微粒子４２ａ、４２ｂが間隔をおいて存在しているので、吸収波長の光を１００％吸収できない。すなわち、入射光の一部は、金属微粒子４２ａ、４２ｂの隙間を通り、表面プラズモン共鳴による吸収が行われない。

そこで、吸収されず散乱層７に到達した光は、戻り光となる。このとき、戻り光は散乱層７で散乱されるので、入射の光路とは異なる光路になることが多い。戻り光が異なる光路を通ることで、戻り光が金属微粒子４２ａ、４２ｂで表面プラズモン共鳴が発生しやすくなる。これにより、戻り光が再度光学フィルター１ａ、１ｂを通過するとき、特定の波長がさらに吸収され、より明確に色を発現することが可能となる。

なお、表示セル２０で、黒色を表現するには、光強度調整部６ａ、６ｂで光を吸収させてもよい。また、この両者を用いてもよい。また、表示セル２０で、白色を表現する場合には、フィルター部４ａ、４ｂで可視域の光を吸収しないように、金属微粒子４２ａ、４２ｂの表面プラズモン共鳴波長の１つを可視域以外の波長（４００ｎｍ未満、または８００ｎｍ以上）とすればよい。あるいは、光学フィルター１において金属微粒子４２を３次元的に回転させ、光学フィルター１で白色以外を表示し、白色のみを表示させる光学フィルターを別途設けてもよい。

また、フィルター部４ａで赤色および青色を、フィルター部４ｂで緑色を表現する設定とすると、光の半分は金属微粒子で吸収されるが、半分は反射され、白色を表示させることができる。なお、本実施形態では、光強度調整部６ａ、６ｂを偏光板２と方向調整部３ａ、３ｂとの間に設置しているが、偏光板２の入射側（観察者側）や、又はフィルター部４ａ、４ｂと散乱層７との間に設置してもよい。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様、２枚の光学フィルター１ａ、１ｂでフルカラー表示が可能であり、従来のカラーフィルターを用いたものに比べて、無点灯領域が６６％から５０％に縮小し、開口率を上げられるため、光の利用効率を高くすることができる。

（第３の実施形態）
本発明にかかる表示装置のさらに他の例について図面を参照して説明する。図６は本発明にかかる表示装置のさらに他の例の概略配置図である。図６に示す表示装置３００の表示装置２００と実質上同じ部分には同じ符号を付すとともに、実質上同じ部分の詳細な説明は省略する。図５に示す表示装置２００が反射型表示装置であったのに対し、本実施形態の表示装置３００は散乱型表示装置である。なお、図６には図４及び図５と同様に、１個の表示セル３０で構成された表示装置３００を示しているが、実際の表示装置は複数の表示セル３０がマトリクス状に配列されている。

図６に示すように、表示装置３００における表示セル３０は、サブセル３０ａ、３０ｂを備えている。また、サブセル３０ａ、３０ｂは光学フィルター１ａ、１ｂを有しており、光学フィルター１ａ、１ｂの後側（フィルター部４ａ、４ｂの方向調整部３ａ、３ｂと反対側）に反射防止層８を備えている。

反射防止層８は、フィルター部４ａ、４ｂで吸収されなかった透過光が反射するのを防止するためのものである。可視域の全波長に対して、なるべく反射率を低くすればよく、反射防止コーティングとして一般に用いられる多層膜やモスアイ構造、フォトニック結晶を利用してもよい。材料は、可視域の広い範囲で吸収係数が高いものが好ましく、例えばＳｉなどの無機材料でもよいし、一般に用いられる黒色樹脂でよい。

光は、偏光板２側から入射し、第１の実施形態で説明した動作により、フィルター部４ａ、４ｂの金属微粒子４２ａ、４２ｂで表面プラズモン共鳴を起こす。表面プラズモン共鳴は、吸収とともに散乱が起こる。よって、透過型表示装置の場合、共鳴波長以外の波長が主となるが、本実施形態のように、共鳴波長以外の波長を反射しないよう、反射防止層８で吸収させれば、観察者は、共鳴波長における（後方）散乱光のみを見ることになる。

以下に具体例を示して説明する。例えば、表示セル３０において、光学フィルター１ａが図３に示す表面プラズモン共鳴スペクトルの特性を持つ金属微粒子４２ａを備えたフィルター部４ａを備えているとすると、４５５ｎｍのピークが青色、６５０ｎｍのピークが赤色に対応する。すなわち、サブセル３０ａでは、赤色から青色までの色を表示できる。

一方、光学フィルター１ｂは、５００〜５６０ｎｍに１つの表面プラズモン共鳴ピークを持つフィルター部４ｂを備えており、サブセル３０ｂでは緑色が表示される。フィルター部４ｂの１つの表面プラズモン共鳴ピークを５８０〜５９５ｎｍとすれば、サブセル３０ｂは黄色を表現でき、４原色による高精細な色の表現が可能となる。

人間の目は、赤色の感度が低いため、赤色の表示をサブセル３０ａだけで行うと、入射光強度を強くする必要がある。そこで、サブセル３０ｂでも赤色表示ができるようにすれば開口率が上がるため、入射光強度を強くする必要がなくなる。そのため、光学フィルター１ｂの１つの表面プラズモン共鳴ピークを５００〜５６０ｎｍとし、もうひとつを６１０〜７５０ｎｍとすることで、サブセル３０ｂで緑色と赤色を表示することができる。

なお、黒色を表現するには、光強度調整部６ａ、６ｂで光を吸収させればよい。白色を表現する場合には、金属微粒子４２ａ、４２ｂで赤色、緑色、青色の三色を散乱させるようにすればよい。なお、本実施形態では、光強度調整部６ａ、６ｂを偏光板２と方向調整部３ａ、３ｂとの間に設置しているが、偏光板２の入射側（観察者側）に設置してもよい。

本実施形態においても、第１、第２の実施形態と同様、２枚の光学フィルター１ａ、１ｂでフルカラー表示が可能であり、従来のカラーフィルターを用いたものに比べて、無点灯領域が６６％から５０％に縮小し、開口率を上げられるため、光の利用効率を高くすることができる。

以上示した各実施形態では、光学フィルターとして、入射光の偏光方向を調整することで、金属微粒子４２ａ、４２ｂの形状異方性に対する方向を調整するものを利用しているが、金属微粒子４２ａ、４２ｂを回転させても同様の光学フィルターを作製できる。また、金属微粒子４２ａ、４２ｂを３次元的に回転させることができる場合、１枚の光学フィルターで３つの表面プラズモン共鳴波長を持つことができるので、１つの光学フィルターでフルカラー表示が可能であり、光の利用効率が非常に高くなる。

上述の各実施形態に示したとおり、本発明の表示装置は、本発明の光学フィルターを利用することにより、金属微粒子の形状異方性と光源の偏光方向の相対角度を調整すること、２色およびその混色を表現できる。よって、フルカラー表示するために必要な光学フィルターの枚数を２枚以下とすることが可能であるため、無点灯領域を削減され、開口率が高く、光の利用効率の低下を抑制することが可能である。

さらに、長軸と短軸に対応した２色に加え、長軸および短軸の中間の偏光方向を入射すると、表面プラズモン共鳴波長がシフトすることから、３つの共鳴波長を用いてフルカラーを表示させることも可能であるため、１つの光学フィルターでフルカラー表示を行うことができる。これにより、無点灯領域をなくすことができるので、光の利用効率をさらに高めることが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではない。また本発明の実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の改変を加えることが可能である。

本発明にかかる光学フィルターは、フルカラー表示を行う表示装置用のカラーフィルターとして利用することが可能である。

１、１ａ、１ｂ 光学フィルター
２ 偏光板
３、３ａ、３ｂ 方向調整部
４、４ａ、４ｂ フィルター部
４１、４１ａ、４２ｂ 透明誘電体
４２、４２ａ、４２ｂ 金属微粒子
５ 光源
６ａ、６ｂ 光強度調整部
７ 散乱層
８ 反射防止層
９１ 演算部
９２ 表示データ入力部
９３ 方向調整部駆動回路
９４ 光強度調整部駆動回路
１０、２０、３０ 表示セル
１００、２００、３００ 表示装置

Claims (15)

1. ２つ以上の形状異方軸を持つ複数の金属微粒子が、可視域の光を透過する透明誘電体の表面又は内部に向きをそろえて設置されているフィルター部と、
   前記フィルター部に入射する直線偏光である入射光の偏光方向と、前記金属微粒子の形状異方軸の向きとを、相対的に変化させる方向調整手段とを備えることを特徴とする光学フィルター。
2. 前記方向調整手段は、直線偏光を持つ入射光の偏光方向を、金属微粒子の形状異方軸に平行または垂直な方向に回転させる請求項１に記載の光学フィルター。
3. 前記透明誘電体は前記複数の金属微粒子を回転自在に支持しており、
   前記方向調整手段が前記複数の金属微粒子を、前記透明誘電体上または内部において、向きを揃えた状態で回転させる請求項１に記載の光学フィルター。
4. 前記複数の金属微粒子が３つの形状異方軸を持ち、
   前記方向調整手段が前記複数の金属微粒子を、前記透明誘電体上または内部において、前記透明誘電体の面直方向にも回転させる請求項３に記載の光学フィルター。
5. 前記複数の金属微粒子が光の照射方向にも配列されており、前記光の照射方向の配列間隔は、金属微粒子の光の照射方向の長さの５倍以上である請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学フィルター。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学フィルターと、
   可視域の光を出射する光源と、
   前記光学フィルターに入射する光の強度を調整する光強度調整部とを備えている表示セル。
7. 前記光学フィルターを２枚備え、
   前記２枚の光学フィルターの両方が、前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長が赤色の補色となる波長を含むフィルター部を備えている請求項６に記載の表示セル。
8. 前記光学フィルターを２枚備え、
   前記２枚の光学フィルターのうち片方が赤色と青色の補色、もう片方が緑色と黄色の補色となる波長を含むフィルター部を備えている請求項６に記載の表示セル。
9. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学フィルターと、
   可視域の光の反射率を小さくするための反射防止層と、
   前記光学フィルターに入射する光の強度を調整する光強度調整部とを備えている表示セル。
10. 前記光学フィルターを２枚備え、
    前記該２枚の光学フィルターにおいて、前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長が、赤色であるフィルター部を備えている請求項９に記載の表示セル。
11. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学フィルターと、
    可視域の光を散乱させる散乱層と、
    前記散乱層に入射する光の強度を調整する光強度調整部とを備える表示セル。
12. 前記光学フィルターを２枚備え、
    前記光学フィルターのうち１枚の光学フィルターが、前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長が、可視域以外であるフィルター部を備えている請求項１１に記載の表示セル。
13. 画像データが入力されるデータ入力部と、
    前記方向調整手段を制御する方向調整部駆動回路と、
    前記光強度調整部を制御する光強度調整部駆動回路と、
    前記画像データに基づいて前記各表示セルで表示する色及び強度を決定し、前記色及び強度に基づいて前記表示セルの前記方向調整手段及び前記光強度調整部とを駆動するように、前記方向調整部駆動回路及び前記光強度調整部駆動回路に指示を出す演算部を備えた請求項６から請求項１２のいずれかに記載の表示セル。
14. 請求項６から請求項１２のいずれかに記載の表示セルを複数個備えており、
    前記複数個の表示セルを２次元配列している表示装置。
15. 画像データが入力されるデータ入力部と、
    前記方向調整手段を制御する方向調整部駆動回路と、
    前記光強度調整部を制御する光強度調整部駆動回路と、
    前記画像データに基づいて前記各表示セルで表示する色及び強度を決定し、前記色及び強度に基づいて各表示セルの前記方向調整手段及び前記光強度調整部とを駆動するように、前記方向調整部駆動回路及び前記光強度調整部駆動回路に指示を出す演算部を備えた請求項１４に記載の表示装置。

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