JP2016510136A - 反射色フィルターおよびカラーディスプレイデバイス - Google Patents
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Abstract
本発明は、薄膜光学ファイバーに関し、輝度を増大させるためにの液晶ディスクレイ(LCD)に使用でき、エネルギー消費を節約することができる。本発明によると、内部に入射した選択されたスペクトル範囲の光を実質的に透過し、他のスペクトル範囲の可視光を実質的に反射する可視光反射色フィルターは、総数が奇数であり、交互に配された非金属層と金属層とを含み、前記第1の層および最終層は非金属製であり、各金属層は非金属層間に配置され、各非金属層の屈折率は2.2以上であり、厚さは40ナノメートル以上であり、各金属層の厚さは10〜40ナノメートルの範囲である。【選択図】図2
Description
本発明は色光学フィルターに関し、詳細には色透過反射フィルターに関し、光学通信および情報処理のためのカラーディスプレイおよびデバイスにおいて用いられ得る。
選択されたスペクトル範囲および他のスペクトル範囲の吸収光の吸収型の透過入射光の公知の色フィルターと、フィルターを含む液晶ディスプレイとが米国特許第7,486,355号に開示されている。この吸収色フィルターにおいて、詳細には、液晶ディスプレイに塗布され、染料またはそのピグメントを含む塗装されたフォトレジストが用いられる。この光学フィルターの欠陥として、光吸収における光エネルギー損失がある。
選択されたスペクトル範囲の入射光を反射し、他のスペクトル範囲の光を透過する色光学フィルターが、コレステリック液晶の層に基づいて設計され、この色光学フィルターは公知であり、米国特許第6,573,961号に開示されている。液晶ディスプレイ中に含まれるこの光学フィルターも、同特許に記載されている。この光学フィルターおよびこの光学フィルターを含む液晶ディスプレイの欠陥として、厚さが比較的厚く(5マイクロメートル未満)、プレート間の隙間は5〜10マイクロメートルであるため、動作電圧値の変更無しではフィルターを液晶ディスプレイプレート間に配置することが困難になり、製造が複雑になる点がある。
干渉型の色光学フィルターは、選択されたスペクトル範囲の入射光を透過し、交互に配された高屈折率層と低屈折率層とからなる他のスペクトル範囲の光を反射し、この色光学フィルターが公知であり、米国特許第7,924,374号中に開示されている。液晶ディスプレイ中に含まれるこの光学フィルターも、同特許に記載されている。しかし、我々の推測によれば、記載の光学フィルターの場合、内部および表示中の光エネルギー吸収が無くなるのは、10度を超えないごく小さな作用角においてのみである。これは、この光学フィルターの深刻な不利点であるため、このフィルターを液晶ディスプレイにおいて用いる意味が無くなる。
ファブリペロー型の金属−誘電体−金属干渉光学フィルターは、選択されたスペクトル範囲の入射光を透過し、他のスペクトル範囲の光を反射し、2つの反射金属層間に誘電層が配置される。このような干渉光学フィルターは公知であり、米国特許第7,811,725号に開示されている。この光学フィルターは、同様に同特許に記載されている基板上に配置され、詳細には液晶ディスプレイにおいて使用される。我々の推測によれば、この光学フィルターの欠陥として、選択されたスペクトル範囲の光透過が低く70%を超えず、作用角も小さく、15度を超えない。
本発明の目的は、可視光反射色フィルターおよびこのフィルターを含み、可視光エネルギーの損失は、選択されたスペクトル範囲の入射可視光の実質的な透過と、光源中における再反射後に他の色の光学フィルターにおいて用いられる他の(補完)スペクトル範囲の入射可視光の実質的な反射とに起因して実質的に低いディスプレイを提供することにある。
本発明の別の目的は、広範な作用角を有する可視光の色光学フィルターを生成することと、垂線からの50°未満の傾斜において多様な視野角において色不変性を提供することとにある。
本発明の1つ以上の目的は、5マイクロメートルを超えない薄い厚さを備えた可視光の色光学フィルターを生成することにある。
本発明によれば、入射する選択されたスペクトル範囲の光を実質的に透過し、他のスペクトル範囲の可視光を実質的に反射する可視光反射色フィルターであって、総数が奇数であり、交互に配された非金属層と金属層とを含み、第1の層および最終層は非金属製であり、各金属層は非金属層間に配置され、各非金属層の屈折率は2.2以上であり、厚さは40ナノメートル以上であり、各金属層の厚さは10〜40ナノメートルの範囲である。
本発明は、図面によって明らかとなる。図面は、提示の技術的解決法の特許請求の範囲全体を完全に網羅または制限するものではなく、色光学フィルターおよび色光学フィルターを含むカラーディスプレイのいくつかの実施形態を例示するだけである。
図1において、可視光反射色フィルターは、屈折率が2.2以上であり厚さが40ナノメートル以上である2つの非金属層1と、厚さが10〜40ナノメートルの範囲である1つの金属層2とを含み、金属層2は上記の非金属層1間に配置される。
反射色フィルターは、以下のように機能する。光源(光源は図1中では図示せず)からの白色光3が光学フィルターに入射すると、光学フィルターは、選択されたスペクトル範囲(例えば緑色のスペクトル範囲)の光4を実質的に透過し、他のスペクトル範囲(例えば、青色および赤色)の光5を実質的に反射する。
光源における多反射(または同様に図1に図示しない他の反射要素における多反射)後の光5は、(図1に不図示)他の反射色フィルターにより少なくとも部分的に透過され、青色および赤色が相応に実質的に透過される。
厚さが15ナノメートル以上である金属層と、屈折率が2.3以上である非金属層とを備えた色光学フィルターが好適である。
厚さが20ナノメートル以上である金属層と、屈折率が2.5以上である非金属層とを備えた色光学フィルターがより好適である。
色光学フィルターの広範な作用角を図2に示す。ここで、図1の反射色フィルターの多様な作用角における透過および反射スペクトルが図示される。このフィルターは、緑色を透過し、青色および赤色双方を反射する。図2から明確に分かることとして、透過および反射スペクトルは、反射色フィルターへの垂線から50°までの角度で空気から入射する光線の入射角度が変化しても、実際に変化しない。
反射色フィルターは、任意の透明な材料(例えば、ガラスまたはポリマーからのもの)によって構成された研磨基板上に、多数の公知の方法(例えば、熱蒸発、電子ビームによる蒸発)により堆積され得る。
金属層は好適には、金Au、銀Ag、アルミニウムAl、クロムCr、銅Cu、チタンTi、ニッケルNi、マンガンMn、モリブデンMo、ビスマスBi、スズSn、ロジウムRh、白金Pt、アンチモンSbおよび上記の物質の任意の合金または固溶体からなる群から選択される材料によって構成される。上記の非金属層への接着を向上させるため、上記の金属層は、さらに副層を含み得る。これらの副層の総厚さは5ナノメートル以下であり、クロムCr、チタンTi、ニッケルNi、バナジウムV、ジルコニウムZr、ハフニウムHf、ニオブNb、モリブデンMo、および上記の物質の任意の混合物、合金または固溶体からなる群から選択される物質によって構成される。
上記の非金属層は好適には、二酸化チタンTiO2、硫化亜鉛ZnS、セレン化亜鉛ZnSe、ガリウムリンGaP、窒化ガリウムGaN、五酸化タンタルTa2O5、五酸化ニオブNb2O5、モリブデン酸鉛PbMoO4、窒化ケイ素Si3N4、シリコンSi、ゲルマニウムGe、半導体A3B5型、半導体A2B6および上記の物質の任意の混合物または固溶体を含む群から選択される材料によって構成される。これらの記載の2つの非金属層1は、同じ材料または異なる材料によって構成され得、これらの層の厚さは、同じであっても、異なっていてもよい。
図3に、3つの非金属層1および2つの金属層2を含む可視光反射色フィルターが図示されている。ここで、第1の金属層が第1の非金属層と第2の非金属層との間に配置され、第2の金属層が第2の非金属層と第3の非金属層との間に配置される。反射色フィルターは、以下のように機能する。光源(光源は図3に不図示)からの光線3は、反射色フィルターに入射する。この反射色フィルターは、入射した選択されたスペクトル範囲(この種類の反射色フィルターの場合は緑色)の光4を実質的に透過し、その他の補完スペクトル範囲(この種類の場合は青色および赤色)の光5を実質的に反射する。光源(同様に図3に不図示の他の反射要素)における再反射後の光5は、他の色の反射色フィルター(図3に不図示)によって少なくとも部分的に透過され、相応に青色および赤色を実質的に透過する。
反射色フィルターの広範な作用角を図4にも示す。ここで、図3の反射色フィルターの多様な作用角における透過および反射スペクトルが図示されている。この種類の反射色フィルターは、緑色を透過し、青色および赤色双方を反射している。3つの非金属層1および2つの金属層2を付加することにより、反射色フィルターの透過および反射スペクトルの縁をより急峻にすることができると共に、反射色フィルター透過スペクトル帯からの光の反射係数を大きくすることができ、これにより、フィルターの全体的色特性が向上する。図4から、透過および反射スペクトルは、反射色フィルターへの垂線から50°までの角度で空気から入射する光線の入射角度が変化しても、実際に変化しないことも分かる。
図5に、総数が奇数であり、交互に配された非金属層1と金属層2とを含む可視光反射色フィルターが図示されている。ここで、第1の層および最終層は非金属層1であり、各金属層2は非金属層1間に独占的に配置される。光学色フィルター中の層数を増加すると、その色特性が向上する。
図6に、(光3の方向上に)反射光学フィルター後に配置された吸収色フィルター6をさらに含む可視光反射色フィルターが図示されている。吸収色フィルター6の役割は、補完色の残りの光の吸収により出射光の色純度を向上させることである。
図7に、制御電極が載置された1つの透明なプレート7(電極は図7に不図示)と、制御電極へ付加された電圧に起因して光学特性が変化しかつプレート7に堆積された電気光学材料8の層と、光源9とを含むカラーディスプレイが図示されている。この種類のディスプレイは、可視光の2つの異なる反射色フィルター(例えば、青色−緑10および赤色11)を含み、ここで、これらの色は透過時に付与され、光学フィルターの色は、透過上および反射スペクトル双方において異なる。
光源9からの白色光3は、青色および緑色光12を透過するが赤色光13は反射する青色−緑反射色フィルター10に入る。光源9中への多反射の後、反射された赤色光13の少なくとも一部は、赤色反射色フィルター11に入りこれを透過し、赤色光14を形成する。
同様に、光源9からの白色光3は、赤色光15を透過するが青色および緑色光16は反射する赤色反射色フィルター11上にも入る。光源9中への多反射の後、反射された青色および緑色光16のうち少なくとも一部は、青色−緑反射色フィルター10に入りこれを透過し、青色−緑色光17を形成する。
よって、青色−緑反射色フィルター10は、青色−緑色の光12を透過する以外に、赤色反射色フィルター11によって反射された青色−緑色の光16の少なくとも一部である青色−緑色の光17も透過する。そのため、青色−緑色の光は吸収されず、青色および緑色光は全て青色−緑反射色フィルター10から出射する。
同様に、赤色反射色フィルター11は、赤色の光15を透過する以外に、青色−緑色光学フィルター10によって反射された赤色の光13の少なくとも一部である赤色の光14も透過する。そのため、赤色光は吸収されず、赤色光は全て赤色反射色フィルター11から出射される。
本発明のカラーディスプレイの1つの特徴として、可視光10および11の反射色フィルターを含む点がある。この反射色フィルターは、総数が奇数であり、交互に配された非金属層と金属層とを含む。第1の層および最終層は非金属製であり、各金属層は非金属層間に配置され、各非金属層の屈折率は2.2以上であり、厚さは40ナノメートル以上であり、各金属層の厚さは10〜40ナノメートルである。
これらの記載の特徴(すなわち、反射色フィルターにおける可視光エネルギーの非吸収、ディスプレイの広範な作用角)により、技術的結果が達成される。この結果は、非金属層の厚さ、その屈折率および金属層の厚さの最適なバランスにより確保される。
例えばポリマーマトリックス中に封入された制御電極液晶材料へ付加された電圧に局所的に起因するその光学特性(複屈折、光散乱、位相シフト、光学活性など)の変化を可能にする電気光学材料8の層として、多数の他のものが用いられ得る。電気光学材料8の層は、光学フィルター10および11を透過する光の強度のみを変化させ、各光学フィルターから出射された光の色は変化させない。
図8に、内部において1つの透明なプレート7上に制御電極が配置された(電極は図8に不図示)他の種類の本発明のカラーディスプレイが図示される。このカラーディスプレイは、制御電極へ付加される電圧に起因して電気光学特性を変化させかつプレート7に堆積された電気光学材料8の層と、光源9とを含む。この種類のディスプレイは、可視光の3つの異なる反射色フィルター(例えば、赤色11、緑色18および青色19)の群を含む。ここで、これらの色は透過時に付与される。すなわち、これら3つの反射色フィルターは全て、透過上および反射スペクトルが異なる。図8に示すこのカラーディスプレイは、3色(赤色、緑色および青色)のマトリックスの吸収色光学フィルター20をさらに含む。反射色フィルター11,18,19は、吸収色光学フィルター20のマトリックスと光源9との間に配置され、各吸収色光学フィルターの色は、反射色フィルター11,18,19の色と一致する。吸収色光学フィルター20のマトリックスの役割は、補完色の残留光の吸収により、光(各サブ画素からの)出射光の色純度を向上させることである。
光源9からの白色光3は、緑色光21は透過するが赤色光13および青色光22は反射する緑色の反射色フィルター18に入る。光源9中への多反射の後、反射された赤色光13のうち少なくとも一部が赤色反射色フィルター11に入りこれを透過し、赤色光14を形成する。光源中への多反射後、反射された青色光22のうち少なくとも一部が青色反射色フィルター19に入りこれを透過し、青色光23を形成する。
赤色光15は透過するが青色および緑色光(図8に不図示)は反射する赤色反射色フィルター11と、青色光は透過するが赤色および緑色光(図8に不図示)は反射する青色反射色フィルター19との光源9からの白色光3が入ると、同様の透過および反射が発生する。
よって、透過された赤色光15が赤色反射色フィルター11から出るほか、緑反射色フィルター18によって反射された赤色光13の少なくとも一部である赤色光14および青色反射色フィルター19によって反射された赤色(図8中図示せず)の光のうち少なくとも一部も出る。
よって、透過された赤色光15が赤色反射色フィルター11から出るほか、緑反射色フィルター18によって反射された赤色光13の少なくとも一部である赤色光14および青色反射色フィルター19によって反射された赤色(図8中図示せず)の光のうち少なくとも一部も出る。
同様に、透過された緑色光21が緑反射色フィルター18から出るほか、赤色反射色フィルター11によって反射された緑色光の少なくとも一部である緑色光および青色反射色フィルター19によって反射された緑色のうち少なくとも一部も出る(このプロセスは図8中図示せず)。
同様に、透過された青色光24が青色反射色フィルター19から出るほか、赤色反射色フィルター11によって反射された青色光の少なくとも一部である青色光および緑反射色フィルター18によって反射された青色光のうち少なくとも一部も出る(このプロセスは図8に不図示)。
よって、任意の色の光は吸収されず、反対に、赤色、緑色および青色全てが反射色フィルター11,18,19から相応に出る。
図9に、内部において2つの透明なプレート7上に制御電極が配置された(電極は図9に不図示)と、制御電極へ付加される電圧に起因して光学特性を変化させかつプレート7に堆積された電気光学材料8の層と、光源9とを含む1つ以上の種類のカラーディスプレイが図示されている。この種類のディスプレイは、可視光の3つの異なる反射色フィルター(例えば、赤色11、緑色18および青色19)の群を含む。ここで、これらの色は透過時に付与される。すなわち、これら3つの光学フィルターは全て、透過上および反射スペクトルが異なる。この名称の反射色フィルターは、プレート7のうちの1つの内側に堆積される。
図10に、内部に2つの透明なプレート7上に制御電極が配置された(電極は図10に不図示)と、制御電極へ付加される電圧に起因して光学特性を変化させかつ上記プレート7に堆積された電気光学液晶材料8の層と、光源9とを含む1つ以上の種類のカラーディスプレイが図示されている。この種類のディスプレイは、可視光の3つの異なる反射色フィルター(例えば、赤色11、緑色18および青色19)の群を含む。ここで、これらの色は透過時に付与される。すなわち、これら3つの光学フィルターは全て、透過上および反射スペクトルと、吸収色光学フィルター20のマトリックスとが異なる。上記の反射色フィルター11,18,19は、光源に近いプレートの内側に堆積され、吸収色フィルター20のマトリックスは、吸収色フィルターそれぞれの色が反射色フィルター11,18,19の色と相応に一致するように、反射色フィルター11,18,19に堆積される。
図11に、内部において2つの透明なプレート7上に制御電極が配置された(図11に電極は不図示)と、制御電極へ付加される電圧に起因して光学特性を変化させかつ上記プレート7に堆積された電気光学液晶材料8の層と、光源9とを含む1つ以上の種類のカラーディスプレイが図示されている。この種類のディスプレイは、可視光の3つの異なる反射色フィルター(例えば、赤色11、緑色18および青色19)の群を含む。ここで、これらの色は透過時に付与される。すなわち、これら3つの反射色フィルターは全て、透過上および反射スペクトルと、吸収色光学フィルター20のマトリックスとが異なる。吸収色光学フィルター20の上記マトリックスは、光源9から遠いプレート7の内側に堆積され、反射色フィルター11,18,19は、吸収色フィルターそれぞれの色が反射色フィルター11,18,19の色と相応に一致するように、吸収光学フィルター20のマトリックスに堆積される。
図12に、制御電極が配置された(電極は図12に不図示)2つの透明なプレート7と、制御電極へ付加される電圧に起因して光学特性を変化させかつ上記プレート7に堆積された電気光学液晶材料8の層と、光源9とを含む1つ以上の種類のカラーディスプレイが図示されている。この種類のディスプレイは、可視光の3つの異なる反射色フィルター(例えば、赤色11、緑色18および青色19)の群を含む。ここで、これらの色は透過時に付与される。すなわち、これら3つの反射色フィルターは全て、透過上および反射スペクトルと、吸収色光学フィルター20のマトリックスとが異なる。吸収色光学フィルター20の上記マトリックスは、光源9から遠いプレート7の内側に堆積され、反射色フィルター11,18,19は、吸収色フィルターそれぞれの色が反射色フィルター11,18,19の色と相応に一致するように、プレート7の内側に堆積される。
本明細書に記載の反射色フィルターの全体的特性によって得られる技術的結果は、広範な作用角と、肉薄の光学フィルターと、光エネルギー吸収の不在とである。この結果は、非金属層の厚さ、その屈折率および金属層の厚さの最適なバランスにより達成される。
Claims (17)
- 内部に入射した選択されたスペクトル範囲の光を実質的に透過し、他のスペクトル範囲の可視光を実質的に反射する可視光反射色フィルターであって、総数が奇数であり、交互に配された非金属層と金属層とを含み、前記第1の層および最終層は非金属製であり、各金属層は非金属層間に配置され、各非金属層の屈折率は2.2以上であり、厚さは40ナノメートル以上であり、各金属層の厚さは10〜40ナノメートルの範囲である、反射色フィルター。
- 2つの前記の非金属層および1つの前記の金属層を含み、前記金属層は前記の非金属層間に配置される、請求項1に記載の反射色フィルター。
- 第1の第3の前記非金属層、第2の第3の前記非金属層および第3の前記非金属層ならびに第1のおよび第2の前記金属層を含み、前記第1の金属層は前記第1の非金属層と前記第2の非金属層との間に配置され、前記第2の金属層は前記第2の非金属層と前記第3の非金属層との間に配置される、請求項1に記載の反射色フィルター。
- 各前記金属層の厚さは15ナノメートル以上であり、各前記非金属層の屈折率は2.3以上である、請求項1に記載の反射色フィルター。
- 各前記金属層の厚さは20ナノメートル以上であり、各前記非金属層の屈折率は2.5以上である、請求項1に記載の反射色フィルター。
- 前記金属層は、金Au、銀Ag、アルミニウムAl、クロムCr、銅Cu、チタンTi、ニッケルNi、マンガンMn、モリブデンMo、ビスマスBi、スズSn、および上記の物質の任意の合金または固溶体を含む群から選択される材料によって構成される、請求項1に記載の反射色フィルター。
- 前記金属層は副層をさらに含み、前記副層の総厚さは5ナノメートル以下であり、前記副層は、クロムCr、チタンTi、ニッケルNi、バナジウムV、ジルコニウムZr、ハフニウムHf、ニオブNb、モリブデンMoおよび上記の物質の任意の混合物または固溶体を含む群から選択される材料によって構成される、請求項1に記載の反射色フィルター。
- 前記非金属層は、二酸化チタンTiO2、硫化亜鉛ZnS、五酸化タンタルTa2O5、セレン化亜鉛ZnSe、ガリウムリンGaP、窒化ガリウムGaN、五酸化ニオブNb2O5、モリブデン酸鉛PbMoO4、窒化ホウ素BN、窒化ケイ素Si3N4、窒化アルミニウムAlN、シリコンSi、ゲルマニウムGe、半導体A3B5型、半導体A2B6型ならびに上記の物質の任意の混合物または固溶体を含む群から選択される材料によって構成される、請求項1に記載の反射色フィルター。
- さらに吸収色フィルターを含む、請求項1に記載の反射色フィルター。
- 制御電極が載置された少なくとも1つの透明なプレートと、前記プレートに堆積された電気光学材料の層と、光源と、異なる透過スペクトルおよび異なる反射スペクトルを含む請求項1〜8のいずれか1項に記載の少なくとも2つの反射色フィルターとを含むカラーディスプレイデバイスであって、前記反射色フィルターのそれぞれから反射された光は、前記光源における再反射後、他の前記反射色フィルターを通じて少なくとも部分的に透過する、
カラーディスプレイデバイス。 - 制御電極が載置された少なくとも1つの透明なプレートと、前記プレートに堆積された電気光学材料の層と、光源と、異なる透過スペクトルおよび異なる反射スペクトルを含む少なくとも3つの反射色フィルターの群とを含み、前記反射色フィルターのそれぞれから反射された光は、前記光源における再反射後、他の前記反射色フィルターを通じて少なくとも部分的に透過する、請求項10に記載のカラーディスプレイデバイス。
- 2つの透明なプレートであって、前記2つの透明なプレートのうち少なくとも1つ上に制御電極が載置される、2つの透明なプレートを含み、前記電気光学材料の層は液晶層であり、前記プレート間に配置され、前記反射色フィルターは、プレートのうち1つの内上に配置される、請求項10または11に記載のカラーディスプレイデバイス。
- さらに吸収色フィルターのマトリックスを含む、請求項10または11に記載のカラーディスプレイデバイス。
- さらに吸収色フィルターのマトリックスを含む、請求項12に記載のカラーディスプレイデバイス。
- 前記反射色フィルターは、光源に近い前記プレートの内側に堆積され、さらに吸収色フィルターのマトリックスがその他のプレートの内側に堆積される、請求項12に記載のカラーディスプレイデバイス。
- 前記反射色フィルターは、光源に近い前記プレートの内側に堆積され、さらに吸収色フィルターのマトリックスが前記反射光学フィルターに堆積される、請求項12に記載のカラーディスプレイデバイス。
- 吸収型色フィルターのマトリックスが光源から遠い前記プレートの内側に堆積され、反射色フィルターが前記吸収色フィルターのマトリックスに堆積される、請求項12に記載のカラーディスプレイデバイス。
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