画像表示装置
【課題】 環境によらずコントラスト変動の影響を抑制することが可能となる画像表示装置を提供する。
【解決手段】 前面板上に光散乱性の発光部を有する画像表示装置であって
該前面板と平行な面内で、且つ該発光部の周囲領域に、発光部よりも散乱強度の低い低散乱領域を有し
該低散乱領域と該前面板の間に屈折率分布構造を配置する
【解決手段】 前面板上に光散乱性の発光部を有する画像表示装置であって
該前面板と平行な面内で、且つ該発光部の周囲領域に、発光部よりも散乱強度の低い低散乱領域を有し
該低散乱領域と該前面板の間に屈折率分布構造を配置する
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲の環境によらず、高いコントラストを有する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、様々な構成の画像表示装置が提案されている。その一例を、図８に示す。図８は、一つの画素８０２を示しており、このような画素構造を複数個配列することで、画像表示装置８００が形成されている。図８に示す画像表示装置８００は、前面板８０１の内面に発光層８０４を有し、発光層８０４に電子を照射することで光を生じ、この光が前面板８０１を透過し、外部に抽出されることで、表示光８０８となる。
【０００３】
画像表示装置には、コントラストが高いことが求められており、前面板の内面に光吸収層であるブラックマトリクス８０７が設けられている。しかし明所下において画像表示装置のコントラストを向上させるためには更なる改善が必要であり、より一層表示輝度を向上させ、且つ外部から画像表示装置に入射する光（外光）の反射率を低下させることが必要である。
【０００４】
画像表示装置８００において、表示光の輝度を高くするためには、発光層８０４で発生した光が外部に抽出される間の損失を低減することが重要である。
【０００５】
また、外光の反射率を低下させるためには、外部から入射した光の、外部領域と前面板８０１の界面、あるいは前面板８０１と発光層８０４の界面における正反射率を低くすることが求められる。さらに、外部から入射した光が、外部領域と前面板８０１の界面、前面板８０１と発光層８０４の界面、あるいは発光層８０４内において散乱されることで、前面板８０１を介して外部領域側に反射される拡散反射を低くすることが求められる。
【０００６】
正反射率を低くする手法として、屈折率が異なる層と層の間に粗面を設ける手法が知られている。例えば、特許文献１では、前面板上に蛍光体を配置し、前面板の裏面（蛍光体側）に粗面を設けた構成の画像表示装置が記載されている。粗面を配置することにより前面板裏面における正反射率を低下させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許６８４４６６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来提案されている特許文献１の手法では、発光層からの拡散反射を低くすることができず、明所下におけるコントラストが低いという問題がある。
【０００９】
詳述すると、このような画像表示装置に外光が入射すると、粗面にて発生する散乱光の一部が外部領域側に反射され、拡散反射光となる。また、前面板を通過した光は、発光層内部にて散乱され、外部領域側に反射することで拡散反射光となる。
【００１０】
そして、発光層が厚くなるにつれ、発光層内部にて散乱された光による拡散反射光は増大する。このような画像表示装置を明所下にて使用すると、拡散反射光強度が強いために、画像表示装置の鑑賞を妨害する黒浮きとなり、コントラストが低下する。
【００１１】
尚、ブラックマトリクスの開口部面積をより狭くすることで、１画素あたりの拡散反射光強度を低くすることも可能である。しかしながら、発光層にて発生した光が、ブラックマトリクスにて多く吸収されるようになり、表示輝度が低下する。このような画像表示装置では、表示輝度が低いために、高いコントラストを得ることができない。
【００１２】
このように、従来の画像表示装置は、低い拡散反射光と高い表示輝度を両立することができず、使用環境により画像表示装置の表示品質が著しく低下する。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑み、コントラストが高い画像表示装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決する本願発明は、基板と、前記基板上に位置する発光部材と、前記基板の前記発光部材を有する面と平行な方向において該発光部材を囲んで位置する、該発光部材よりも散乱強度の低い低散乱部材と、前記低散乱部材と前記基板との間に位置し、前記基板の前記発光部材を有する面と平行な方向において屈折率分布を有する屈折率分布構造とを有する画像表示装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低い拡散反射光強度と高い表示輝度を両立することで、環境によらず高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の画像表示装置の一例のｘｚ断面及びｘｙ断面の要部概略図
【図２】本発明の画像表示装置に含まれる微細構造のｘｚ断面及びｘｙ断面の要部概略図
【図３】本発明の画像表示装置に含まれる微細構造での外光反射の説明図
【図４】本発明の画像表示装置に含まれる発光層での外光反射の説明図
【図５】発光層で発生した光の説明図
【図６】本発明の画像表示装置の他の例のｘｚ断面及びｘｙ断面の要部概略図
【図７】本発明の画像表示装置の作製手法要部概略図
【図８】従来の画像表示装置の要部概略図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（装置構成）
本発明の実施形態の画像表示装置１００の要部概略図を図１に示す。図１（ａ）は画像表示装置１００のｘｚ断面図であり、図１（ｂ）はｘｙ断面図である。
【００１８】
画像表示装置１００は、基板である前面板１０１と、この基板上に位置する発光部材である発光層１０４と、発光層１０４よりも散乱強度の低い低散乱部材１０６と、低散乱部材１０６と前面板１０１との間に位置する屈折率分布構造である微細構造１０５とを有する。尚、屈折率分布構造である微細構造１０５は、前面板１０１の発光層１０４が位置している面に平行な方向において屈折率分布を有している。そして本実施の形態においては、好ましい形態として光吸収層であるブラックマトリクス１０７を更に有し、発光層１０４、低散乱部材１０６、微細構造１０５、そしてブラックマトリクス１０７とで画素１０２を構成している。図１には１つの画素１０２を示しており、このような画素を複数個配列することで画像表示装置１００が形成されている。また各画素１０２は、ブラックマトリクス１０７で区切られている。前面板１０１は、可視光に対して透明な媒質で形成されており、例えばガラスを用いることができる。
【００１９】
発光層１０４は、例えば蛍光体を含む膜で形成され、波長３５０〜８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する。
低散乱部材１０６は、基板である前面板１０１の発光部材１０４が設けられた面と平行な方向であるｘｙ面内において発光層１０４を囲むように配置され、発光層１０４よりも光散乱性の低い媒質で形成されている。低散乱媒質として、例えば樹脂などを用いることができる。尚、以下において低散乱部材１０６は低散乱領域という場合もある。
【００２０】
屈折率分布構造である微細構造１０５は、異なる屈折率を有する２種類以上の媒質から形成され、前面板１０１の発光層１０４を有する面と平行な方向であるｘｙ面内にて屈折率分布を有している。
【００２１】
屈折率分布構造である微細構造１０５の一例を図２に示す。図２（ａ）、（ｂ）は、微細構造１０５のｘｙ断面図およびｘｚ断面図である。微細構造１０５は、第一の媒質からなる部材中に、第一の媒質とは屈折率の異なる第二の媒質で形成された部材が、離散的に配列されている。図２に示す構成では、第一の媒質からなる層２０２の中に、直径２１１、高さ２１２の第二の媒質からなる円柱構造２０１が、前面板１０１の発光層１０４を有する面と平行な方向であるｘｙ面内において、配列周期（格子周期）２１０を有する三角格子状に配列されている。尚、以下においては、第二の媒質からなる部材（本実施形態では円柱構造）２０１の配列周期２１０を、単に微細構造１０５の格子周期という場合がある。そして、格子周期２１０の長さは、微細構造１０５に入射した光を複数の回折光に分配できる長さに設定されている。
【００２２】
このような表示装置１００において、発光層１０４に電子９０を照射させることで光を発生し、その一部が表示光１０８として外部に抽出され、画像を表示する。発光層１０４を照射する電子９０は、例えば前面板１０１に対向配置された電子放出素子と、微細構造１０５と発光層１０４との間に設けた透明電極とによって得ることが出来る。具体的には、電子放出素子に電界をかけることで放出した電子を、透明電極に高電圧を印加することで発光層１０４に向けて加速させることで、発光層１０４に電子９０を照射させることが出来る。このような構成では、発光層１０４の裏面側（前面板１０１と反対側の面側）は真空で形成される。
【００２３】
また、画像表示装置１００に外部から外光１０９が入射すると、外光１０９は発光層１０４にて散乱（又は微細構造１０５により回折）され、複数の散乱光（又は回折光）に分配される。ここで、散乱光（又は回折光）のうち、＋ｚ方向に進む光を外光反射光１１０と呼ぶ。
【００２４】
本発明の実施形態の画像表示装置においては、低拡散部材１０６と屈折率分布構造である微細構造１０５とを有することによって、外光１０９の反射を低減し、また屈折率分布構造である微細構造１０５を有することによって、表示輝度を高めることが可能となる。以下これについて、その理由を説明する。まず、外光１０９の反射を低減することについて説明する。
【００２５】
図３（ａ）を用い、画像表示装置１００の外部より、外光１０９が入射したときに、微細構造１０５で発生する反射回折光の伝搬の様子について説明する。図３（ａ）に示される画像表示装置１００は、図１と同様の構成を備えており、微細構造１０５が形成される領域のｘｚ断面図を部分拡大して示している。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、反射回折光のうち、前面板１０１と外部領域との界面における臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は、界面で全反射される。全反射された光は、外部に放出されずに、前面板１０１内を伝搬し、図３（ａ）には示していないが、周囲に設けられたブラックマトリクスで吸収され、減衰する。この光を減衰光１１３と呼ぶ。一方、臨界角よりも小さい角度で伝搬する回折光は、外部に放出され、外光反射光１１０となる。外光反射光１１０のうち、外光１０９の入射角度と同じ反射角度を有する外光反射光を正反射光１１２と呼び、それ以外の外光反射光を拡散反射光１１１と呼ぶ。
【００２７】
また、図３（ｂ）を用い、画像表示装置１００の外部より、外光１０９が入射したときに微細構造１０５にて発生する透過回折光の伝播の様子について説明する。図３（ａ）と同様に、図３（ｂ）に示される画像表示装置１００は、図１と同様の構成を備えており、微細構造１０５が形成される領域のｘｚ断面図を部分拡大して示している。
【００２８】
図３（ｂ）では、透過回折光１１４のうち、低散乱領域１０６と真空の界面において反射した光１１５は、再度微細構造１０５に入射し、透過回折光１１６が発生する。透過回折光１１６のうち、前面板１０１と外部領域との界面における臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は、界面で全反射される。全反射された光は、外部に放出されずに、前面板１０１内を伝搬し、図３（ｂ）には示していないが、周囲に設けられたブラックマトリクスで吸収され、減衰する。この光を減衰光１１３と呼ぶ。一方、臨界角よりも小さい角度で伝搬する回折光は、外部に放出され、外光反射光１１０となる。透過回折光１１４のうち、回折角度の大きい光１１７は、低散乱領域１０６と真空の界面において反射され、図３（ｂ）には示していない周囲に設けられたブラックマトリクスで吸収されることで減衰光１１３となる。
【００２９】
微細構造１０５からの反射光の反射率は、微細構造１０５を形成する第一の媒質の−ｚ側の界面及び＋ｚ側の界面のフレネル反射率と第一の媒質の体積率との積と、第二の媒質の−ｚ側の界面及び＋ｚ側の界面のフレネル反射率と第二の媒質の体積率との積との和で表される。本願においては、この和を平均反射率と呼ぶ。全回折次数の反射率総和は、平均反射率と等しくなる。微細構造１０５が屈折率分布を有するため、具体的には後述のように柱状構造２０１の配列周期を整えることで、反射回折光１１１，１１２の強度は透過回折光１１４の強度に比べて低くなるため、平均反射率が低くなる。すなわち、微細構造１０５にて発生する回折光の多くが透過回折光１１４となる。さらに、低散乱領域１０６と真空の界面の反射率は低く、透過回折光１１４の大部分は真空側へ透過するため、すなわち透過光１１８が多く、反射光１１５は少ないため、透過回折光１１６の強度は低い。また、低散乱領域１０６と真空の界面にて反射された光１１５の一部は減衰光１１３となる。以上から、微細構造１０５及び低散乱領域１０６が形成された領域では、低い拡散反射率を得ることができる。
【００３０】
次に発光層１０４における外光反射と、表示輝度の向上との関係について説明する。
まず図４を用いて、画像表示装置１００の外部より、外光１０９が入射したときに発光層１０４にて発生する拡散反射光の伝播の様子について説明する。図４に示される画像表示装置１００は、図１と同様の構成を備えており、発光層１０４が形成される領域のｘｚ断面図を部分拡大して示している。
【００３１】
図４に示すように、外光１０９が発光層１０４に入射すると、その一部は発光層１０４の表面にて散乱され、表面散乱光１５１となる。表面散乱光１５１のうち、前面板１０１と外部領域界面の全反射角度より小さい角度で伝播する光が表面拡散反射光１５３となる。さらに、発光層１０４内部に侵入した外光１０９は、発光層１０４により散乱され内部散乱光１５２となる。内部散乱光１５２のうち、＋ｚ方向に伝播し且つ前面板１０１と外部領域界面の全反射角度より小さい角度で伝播する光が内部拡散反射光１５４となる。表面散乱光１５１及び内部散乱光１５２のうち、前面板１０１と外部領域界面の全反射角度よりも大きい角度で伝播する光は、前面板１０１内を伝播し、図４には図示していない周囲に設けられたブラックマトリクスにて吸収され、減衰光となる。
【００３２】
内部散乱光１５２の強度は、外光１０９が発光層１０４内部を伝播する長さが長くなるに従い、指数関数に比例して増加する。そのため、発光層１０４の高さが高くなると（図中Ｚ方向の長さが長くなると）、内部拡散反射光１５４の強度が急激に高くなる。発光層１０４の高さを低くすることで、内部散乱光１５２の強度を低くすることができるが、同時に、発光層１０４を励起する電子の吸収が不十分になり表示輝度が低下する。
【００３３】
図５を用い、画像表示装置１００の内部から、発光層１０４にて発生し、低散乱領域１０６を介して微細構造１０５に入射する光５０１の伝播の様子を説明する。図５に示される画像表示装置１００は、図１と同様の構成を備えており、低散乱領域１０６が形成される領域のｘｚ断面図を部分拡大して示している。
【００３４】
図５に示すように、光５０１は、微細構造１０５により回折され、複数の透過回折光が発生する。透過回折光のうち、前面板１０１と外部領域界面の全反射角度以内の透過回折光が、外部領域へ取出され表示光１０８となる。微細構造１０５を形成しない場合には前面板１０１と外部領域界面にて全反射される入射角度を有する光５０１も、微細構造１０５を形成することで、複数の透過回折光に分配することができ、外部領域に取出すことができる。すなわち、屈折率分布構造である微細構造１０５を有することによって、発光層１０４で電子線励起によって生じた光の利用率を向上させることが出来るため、外部領域に取出される表示光１０８が増加し、画像表示装置の表示輝度を高めることができる。
【００３５】
このように本発明の実施の形態の画像表示装置１００では、発光層１０４の周囲に低散乱領域１０６を配置することにより、ブラックマトリクス１０７の開口部からの拡散反射率を低減している。開口部における拡散反射率低減により、開口部面積を広げても画素あたりの拡散反射率を従来と同等または低くすることができる。また開口部面積を広げることで、発光層１０４にて発生した光（表示のための光）がブラックマトリクスに吸収される割合を低減し、発光層１０４にて発生した光を効率よく外部領域へ取出すことができる。さらに、低散乱領域１０６と前面板１０１の間に微細構造１０５を配置することにより、発光層１０４にて発生した後、低散乱領域１０６に漏れてきた光を効率よく外部領域へ取出すことができる。以上から、本発明の実施の形態の画像表示装置は、低い拡散反射光強度と高い表示輝度を両立する画像表示装置を形成している。
【００３６】
以下では、本発明の実施形態の画像表示装置において、外光反射率を低減できる格子周期（部材２０１（円柱構造２０１）の配列周期）の好ましい範囲について説明する。
【００３７】
微細構造１０５に入射した光は、次の式１を満たす回折次数の光が発生する。
【００３８】
【数１】
【００３９】
上記式１において、λは入射光の波長、Ｎｉｎは入射光が伝搬する領域の屈折率、Ｎｏｕｔは反射回折光あるいは透過回折光が伝搬する領域の屈折率を表している。θｉｎは入射光の入射方向と周期構造に垂直な方向との間の角度、Λは微細構造の格子周期、ｍは回折次数で任意の整数を表している。
【００４０】
式１において、長い波長になるほど高次の回折光が出にくいことから、可視域で長波長側に相当する波長を選択し、入射光の波長を７００ｎｍとする。また、入射光および回折光が伝搬する領域の屈折率ＮｉｎおよびＮｏｕｔを、一般的に用いられている前面板であるガラス基板の屈折率と同じ１．５とし、外光の入射角度θｉｎを、周期構造に対して垂直な方向となる０度とした。微細構造１０５の格子周期２１０が１μｍ以上の長さにすることで、２次以上の高次の回折光を多数発生されることができる。
【００４１】
微細構造１０５に入射した光は多数の回折光に分配されるため、各光線の強度は非常に小さい値となる。また、外光反射光は多数の回折光を積算した光となる。外光の波長は入射角度が変動しても、外光は多数の回折光に分配され、各光線の強度は非常に小さいため、これら多数の回折光の和であらわされる外光反射光の変動も小さくなる。そのため、本実施形態に記載の外光入射角度だけではなく、他の入射角度についても本実施形態に記載の画像表示装置は、低い拡散反射率を有することができる。
【００４２】
なお、格子周期が大きくなると、高次の回折光強度が小さくなり、０次回折光の強度が大きくなるため、正反射光が増大し、画像表示装置のコントラストが低下する。
【００４３】
以上の理由から、格子周期の長さは１μｍ以上且つ３μｍ以下とすることにより、外光の波長や入射角度に因らず、外光反射率を低減した画像表示装置を得ることができる。本実施形態においては、微細構造１０５を三角格子の格子点状に円柱構造２０１を配置したが、格子周期の長さが１μｍ以上且つ３μｍ以下を有する正方格子の格子点状に円柱構造２０１を配置してもよい。また、微細構造１０５は、円柱構造２１０間の格子周期に相当する平均距離が１μｍ以上且つ３μｍ以下の非周期構造を有していても良い。望ましくは、微細構造１０５を対称性の高い三角格子構造、または非周期構造とすることにより、表示光の配向分布をより等方的にすることができる。
【００４４】
尚、本実施の形態においては、低散乱領域１０６を屈折率１．５の透明材料により構成して説明したが、光散乱性を有する媒質または、誘電体中に微粒子を分散させた膜で構成してもよい。
【００４５】
微細構造１０５及び低散乱領域１０６からの拡散反射光は、微細構造１０５による拡散反射光と、微細構造１０５を透過した光が低散乱領域１０６内部にて散乱され、外部領域側へ反射する拡散反射光に分けることができる。外光１０９の一部が微細構造１０５にて反射され、また一部が低散乱領域１０６に入射する。低散乱領域１０６内に入射した光は、低散乱媒質１０６を構成する散乱媒質により散乱され、その一部が拡散反射光として外部領域に反射される。
【００４６】
微細構造１０５及び低散乱領域１０６からの拡散反射光強度が、高くなるのは低散乱領域１０６を構成する散乱媒質が等方散乱性を有するときである。この時、微細構造１０５の拡散反射率Ｒｓｃ２及び低散乱領域１０６の拡散反射率Ｒｓｃ１は、式２のように表すことができる。
【００４７】
【数２】
【００４８】
ここで、Ｔ２は微細構造１０５の透過率、μ１は低散乱領域１０６の散乱係数、Ｌは低散乱領域１０６の厚みである。拡散反射率の低い画像表示装置を得るためには、Ｒｓｃ１が発光層１０４を形成した領域の拡散反射率Ｒｓｃよりも低いことが求められる。すなわち、低散乱領域１０６の光散乱性に因らず低い拡散反射率を有する画像表示装置を構成するためには、低散乱領域１０６が、式３を満たすことが望ましい。
【００４９】
【数３】
【００５０】
上記のとおり、屈折率分布構造である微細構造１０５の、第一の媒質からなる部材である層２０２中に配列された、第一の媒質とは屈折率が異なる第二の媒質からなる部材である円柱構造２０１の配列周期は、１μｍ以上且つ３μｍ以下であることが好ましい。これによって、外光の波長や入射角度によらず、外光反射率を低減することが出来る。
【００５１】
また、第二の媒質からなる部材である円柱構造２０１は、三角格子状に配列されているのが好ましい。これによって、表示光の配向分布をより等方的にすることが可能となり、良好な画像表示が実現できる。
【００５２】
以下の実施例に基づき、本発明の具体例を説明する。
【実施例１】
【００５３】
図１の画像表示装置１００において、発光層１０４は、屈折率２．２、平均粒子径１μｍを有する微粒子状の蛍光体を体積率５０％で充填し、ｘｚ断面の高さが５μｍになるよう形成している。発光層１０４は、図１（ｂ）に示すようにｘｙ面内にて画素の中央部分、且つ領域面積が画素面積の４％になるように形成されている。
【００５４】
発光層１０４の周囲に配置される低散乱領域１０６は発光層１０４よりも散乱強度が低くなるように、屈折率１．５の透明材料で構成され、低散乱領域１０６のｘｚ断面の高さは発光層１０４と等しい高さを有している。低散乱領域１０６は、ｘｙ面内の領域面積が画素面積の１４％になるように形成されている。すなわち、画像表示装置１００では、ブラックマトリクスの開口部面積が画素面積の１８％になるよう形成されている。
【００５５】
微細構造１０５は図２に示す構成のものを用い、低散乱領域１０６と前面板１０１の間に配置した。尚、円柱構造２０１の配列周期である格子周期２１０は１７００ｎｍ、円柱２０１の直径は１４５０ｎｍの長さを有しており、微細構造１０５のｘｚ断面の高さ２１２は１４５０ｎｍを有している。
【００５６】
円柱２０１を形成する第二の媒質は屈折率２．２、周囲の領域２０２を形成する第一の媒質は屈折率１．５を有しており、前面板１０１の発光層１０４が形成されている面と平行な方向において、層２０２中に円柱構造２０１が周期的に配列されることにより、屈折率分布構造を形成している。尚、前面板１０１は屈折率が１．５の媒質で形成されている。
【００５７】
発光層１０４の裏面の領域は真空となっている。また、微細構造１０５と低散乱領域１０６の間、及び前面板１０１と発光層１０４の間には、発光層１０４を励起する電子を加速するための電極として、屈折率１．８を有する図示しない透明電極層を１００ｎｍの厚さになるよう形成している。
【００５８】
このような画像表示装置１００において、発光層１０４を電子線によって励起すると、発光層１０４にて発生した光の３６％が外部領域に取出される。さらに、画像表示装置１００に、波長５５０ｎｍの外光１０９を前面板と垂直な方向（ｚ軸方向）から入射すると、拡散反射率は４％となる。
本実施例の画像表示装置と、従来の画像表示装置との比較を以下説明する。
【００５９】
（比較例１）
従来の画像表示装置８００の一例を図８に示す。図８（ａ）は画像表示装置８００のｘｚ断面図である。
画像表示装置８００は、前面板８０１上に、光散乱性を有する発光層８０４、光吸収性を有するブラックマトリクス８０７とを有している。発光層８０４に電子８１１を照射することによって光が発生し、この光が前面板８０１を介して外部に取出されることで表示光８０８となる。尚、８０２は発光層、ブラックマトリクスからなる画素である。
【００６０】
図８（ｂ）は画像表示装置８００のｘｙ断面図である。ブラックマトリクス８０７の中央部に画素８０２の面積率１２％の開口部が形成されている。発光層８０４の発光材料としては、例えば波長３５０〜８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する蛍光体を用いることができる。
【００６１】
前面板８０１の上方から−ｚ方向に外光が入射すると、外光は発光層８０４を形成する発光材料により表面散乱及び内部散乱光が発生し、前面板８０１を介して外部領域に反射され，拡散反射光８１０となる。
【００６２】
このような画像表示装置８００において、発光層８０４は、屈折率２．２、平均粒子径１μｍを有する微粒子状の蛍光体を体積率５０％で充填し、ｘｚ断面の高さは５μｍになるよう形成している。また、ブラックマトリクスの開口部面積は、画素面積の１２％になるよう形成されている。
【００６３】
前面板１０１は屈折率が１．５の媒質で形成されている。また、発光層８０４の裏面の領域は真空となっている。
このような画像表示装置８００において、発光層８０４を励起すると、発光層８０４にて発生した光の２８％が外部領域に取出される（表示光８０８）。尚、画像表示装置８００に、波長５５０ｎｍの外光８０９を前面板と垂直な方向（ｚ軸方向）から入射した際の、拡散反射率は４％となった。
【００６４】
比較例１に示す画像表示装置８００では、ブラックマトリクスの開口部面積率が実施例１に比べて小さいため、低い拡散反射率を得ている。しかし、ブラックマトリクスにより光吸収損失が大きく、発光層８０４にて発生した光（表示のための光）が外部領域へ取出される割合が低い。そのため、表示輝度が低下する。比較例１に示す画像表示装置８００では、表示輝度が低いため、コントラストが低下する。
【００６５】
一方、実施例１の画像表示装置１００では、低い拡散反射率と高い取出し効率を得ている。すなわち、周囲の環境によらず、高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。
【００６６】
本実施例においては、外光１０９の波長を人の眼にとって敏感な５５０ｎｍとしたが、微細構造１０５の格子周期２１０を複数の回折光が発生するよう大きく設定することにより、波長３５０〜８００ｎｍの波長域において低い拡散反射率を実現することが可能である。
【００６７】
また、低散乱部材１０６は、本実施例に記載の屈折率を有する媒質に制限されるものではない。望ましくは、透明電極層よりも低い屈折率を有する媒質を用いることで、低散乱部材１０６と透明電極層の界面における全反射を抑制し、発光層１０４にて発生した光を効率よく外部領域へ取出すことができる。
【００６８】
また、本実施例においては、低散乱部材１０６のｘｚ面内の高さを、発光層１０４のｘｚ面内の高さと等しくしたが、異なる高さを有していてもよい。望ましくは、発光層１０４のｘｚ面内の高さ以上にすることで、発光層１０４から低散乱領域１０６内に入射する光が増え、発光層１０４にて発生した光を効率よく外部領域へ取出すことができる。さらに、発光層１０４の下面（裏面側）にも低散乱領域１０６を配置しても、本発明の効果は失われない。
【００６９】
尚、本実施例においては、上述のとおり、屈折率１．５を有する第一の媒質からなる部材２０２と、屈折率２．２の第二の媒質からなる円柱構造２０１とを用いて微細構造１０５を形成したが、微細構造１０５の構成はこれに限らず、様々な構成を採用し得る。例えば、第二の媒質として気体もしくは真空を採用することも可能である。以下に本発明に用いることが出来る画像表示装置の作成例を示す。
【００７０】
画像表示装置１００は、一般に知られる画像表示装置作製技術及び微細加工技術を用いて作製することができる。図７（ａ）〜（ｅ）に、画像表示装置１００の作製方法要部概略図を示す。
図７（ａ）に示す基板７０１上にマスクを形成した後、電子ビームまたはフォトリソグラフィによる露光とエッチングを組み合わせた半導体リソグラフィ手法またはナノインプリントによる刻印手法により、基板７０１に孔状微細構造を形成する。孔状微細構造の形成工程においては、基板７０１上にＳｉＯ２等の微小球を配列し、この微小球をマスクにエッチングを用いて形成してもよい。孔状微細構造形成後、スピンコートまたはスパッタ等の成膜手法により微細構造７０５を形成している（図７（ｂ））。この時、マスク形状またはナノインプリントの型を調整することで、所望の領域にのみ微細構造７０５を形成することができる。微細構造７０５を形成した後、ブラックマトリクス７０７、図示しない透明電極を形成し（図７（ｃ））、その後、発光層７０４を形成する（図７（ｄ））。発光層７０４を形成した後、スピンコート等の成膜手段により低散乱領域７０６を形成する（図７（ｅ））。低散乱領域７０６を構成する媒質として、ＴｉＯ２等の金属酸化物のほか、ＳｉＯ２等の誘電体、及びＰＭＭＡなどの高分子有機材料を用いることができる。以上の工程の後、図示しない電子放出素子等を形成することで本発明を適用できる画像表示装置１００を作製することができる。
【００７１】
このように、本発明の画像表示装置は、一般に知られる画像表示装置作製技術及び微細加工技術を用いて作製することができる。
【実施例２】
【００７２】
本実施例にかかる画像表示装置６００の要部概略図を、図６に示した。図６（ａ）は画像表示装置６００のｘｚ断面図であり、図６（ｂ）はｘｙ断面図である。
画像表示装置６００においては、発光層１０４の上面（前面板１０１側）及び下面に反射膜６０１を配置し、さらに発光層１０４の上面側の反射膜６０１と前面板１０１の間にブラックマトリクス１０７を配置している。その他の構成については図１の画像表示装置と同様である。反射膜６０１としては、例えば、Ａｇ等の金属膜や、屈折率の異なる誘電体を積層した反射膜を用いることができる。望ましくは、損失の低い反射膜を用いることで、発光層１０４にて発生した光の損失を低減し、表示輝度の高い画像表示装置を構成することができる。発光層１０４の上面側に配置されるブラックマトリクスは、発光層１０４の上面のみに配置する必要は無く、低散乱領域１０６上の一部領域にも配置してもよい。望ましくは、拡散反射率が高い発光層１０４上のみにブラックマトリクスを配置することで、発光層１０４にて発生した光の損失を低減でき、表示輝度の高い画像表示装置を構成することができる。
【００７３】
本実施例の画像表示装置６００では、不図示の電子放出素子より電子９０が発光層１０４に注入され、発光層１０４にて光が発生する。発光層１０４にて発生した光６０２は発光層１０４内を散乱しながら伝播し、低散乱領域１０６内に射出する。低散乱領域１０６内に射出した光は、微細構造１０５及び前面板１０１を介して外部領域に取出され、表示光１０８となる。
【００７４】
外光１０９のうち、ブラックマトリクス１０７に入射した光は、ブラックマトリクスにより吸収される。微細構造１０５に入射した光は、微細構造１０５により反射され、一部が外光反射光１１０となる。
【００７５】
発光層１０４は、平均粒子径１μｍの微粒子状の蛍光体を体積率５０％で充填して形成し、ｘｚ断面の高さは５μｍを有している。発光層１０４はｘｙ面内において、画素の中央部分、且つ形成領域面積が画素面積の４％になるように形成されている。
【００７６】
発光層１０４の周囲は、発光層１０４よりも散乱強度が低くなるように、屈折率１．５の低散乱領域１０６が設けられ、低散乱領域１０６のｘｚ断面の高さは発光層１０４と同じ高さを有している。低散乱領域１０６は、ｘｙ面内において、領域面積が画素面積の１４％になるように形成している。すなわち、画像表示装置６００では、ブラックマトリクスの開口部面積が画素面積の１８％になるよう形成されている。
【００７７】
微細構造１０５は低散乱領域１０６と前面板１０１の間に配置され、円柱構造２０１の配列周期である格子周期２１０は１７００ｎｍ、円柱２０１の直径は１４５０ｎｍの長さを有しており、微細構造１０５のｘｚ断面の高さ２１２は１４５０ｎｍを有している。
【００７８】
円柱２０１を形成する第二の媒質は屈折率２．２、周囲の領域２０２を形成する第一の媒質は屈折率１．５を有している。前面板１０１は屈折率が１．５の媒質で形成されている。また、発光層１０４の裏面の領域は真空となっている。
【００７９】
このような画像表示装置６００において、発光層１０４を電子照射によって励起すると、発光層１０４にて発生した光の３４％が外部領域に取出される。さらに、画像表示装置６００に、波長５５０ｎｍの外光１０９を前面板と垂直な方向（ｚ軸方向）から入射すると、拡散反射率は２％となる。
【００８０】
画像表示装置６００では、発光層１０４にて発生した光は、発光層１０４内を散乱しながら伝播し、低散乱領域１０６上に配置した微細構造１０５に入射し、複数の回折光が発生する。複数の回折光のうち、前面板１０１と外部領域界面の全反射角度以内の回折角度を有する光が外部領域へ取出され表示光１０８となる。
【００８１】
本実施例の画像表示装置６００では、反射膜６０１上面にブラックマトリクス１０７を配置することにより、拡散反射率の高い発光層１０４への光の入射が抑制され、拡散反射率をより低減した画像表示装置を得ることができる。すなわち、本実施例の画像表示装置６００は、使用環境によらず、より高いコントラストを有する画像表示装置を実現している。
【００８２】
本実施例においては、外光１０９の波長を人の眼にとって敏感な５５０ｎｍとしたが、微細構造１０５の格子周期２１０を複数の回折光が発生するよう大きく設定することにより、波長３５０〜８００ｎｍの波長域において低い拡散反射率を実現可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１００ 画像表示装置
１０１ 前面板
１０４ 発光層
１０５ 微細構造
１０６ 低散乱領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲の環境によらず、高いコントラストを有する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、様々な構成の画像表示装置が提案されている。その一例を、図８に示す。図８は、一つの画素８０２を示しており、このような画素構造を複数個配列することで、画像表示装置８００が形成されている。図８に示す画像表示装置８００は、前面板８０１の内面に発光層８０４を有し、発光層８０４に電子を照射することで光を生じ、この光が前面板８０１を透過し、外部に抽出されることで、表示光８０８となる。
【０００３】
画像表示装置には、コントラストが高いことが求められており、前面板の内面に光吸収層であるブラックマトリクス８０７が設けられている。しかし明所下において画像表示装置のコントラストを向上させるためには更なる改善が必要であり、より一層表示輝度を向上させ、且つ外部から画像表示装置に入射する光（外光）の反射率を低下させることが必要である。
【０００４】
画像表示装置８００において、表示光の輝度を高くするためには、発光層８０４で発生した光が外部に抽出される間の損失を低減することが重要である。
【０００５】
また、外光の反射率を低下させるためには、外部から入射した光の、外部領域と前面板８０１の界面、あるいは前面板８０１と発光層８０４の界面における正反射率を低くすることが求められる。さらに、外部から入射した光が、外部領域と前面板８０１の界面、前面板８０１と発光層８０４の界面、あるいは発光層８０４内において散乱されることで、前面板８０１を介して外部領域側に反射される拡散反射を低くすることが求められる。
【０００６】
正反射率を低くする手法として、屈折率が異なる層と層の間に粗面を設ける手法が知られている。例えば、特許文献１では、前面板上に蛍光体を配置し、前面板の裏面（蛍光体側）に粗面を設けた構成の画像表示装置が記載されている。粗面を配置することにより前面板裏面における正反射率を低下させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許６８４４６６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来提案されている特許文献１の手法では、発光層からの拡散反射を低くすることができず、明所下におけるコントラストが低いという問題がある。
【０００９】
詳述すると、このような画像表示装置に外光が入射すると、粗面にて発生する散乱光の一部が外部領域側に反射され、拡散反射光となる。また、前面板を通過した光は、発光層内部にて散乱され、外部領域側に反射することで拡散反射光となる。
【００１０】
そして、発光層が厚くなるにつれ、発光層内部にて散乱された光による拡散反射光は増大する。このような画像表示装置を明所下にて使用すると、拡散反射光強度が強いために、画像表示装置の鑑賞を妨害する黒浮きとなり、コントラストが低下する。
【００１１】
尚、ブラックマトリクスの開口部面積をより狭くすることで、１画素あたりの拡散反射光強度を低くすることも可能である。しかしながら、発光層にて発生した光が、ブラックマトリクスにて多く吸収されるようになり、表示輝度が低下する。このような画像表示装置では、表示輝度が低いために、高いコントラストを得ることができない。
【００１２】
このように、従来の画像表示装置は、低い拡散反射光と高い表示輝度を両立することができず、使用環境により画像表示装置の表示品質が著しく低下する。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑み、コントラストが高い画像表示装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決する本願発明は、基板と、前記基板上に位置する発光部材と、前記基板の前記発光部材を有する面と平行な方向において該発光部材を囲んで位置する、該発光部材よりも散乱強度の低い低散乱部材と、前記低散乱部材と前記基板との間に位置し、前記基板の前記発光部材を有する面と平行な方向において屈折率分布を有する屈折率分布構造とを有する画像表示装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低い拡散反射光強度と高い表示輝度を両立することで、環境によらず高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の画像表示装置の一例のｘｚ断面及びｘｙ断面の要部概略図
【図２】本発明の画像表示装置に含まれる微細構造のｘｚ断面及びｘｙ断面の要部概略図
【図３】本発明の画像表示装置に含まれる微細構造での外光反射の説明図
【図４】本発明の画像表示装置に含まれる発光層での外光反射の説明図
【図５】発光層で発生した光の説明図
【図６】本発明の画像表示装置の他の例のｘｚ断面及びｘｙ断面の要部概略図
【図７】本発明の画像表示装置の作製手法要部概略図
【図８】従来の画像表示装置の要部概略図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（装置構成）
本発明の実施形態の画像表示装置１００の要部概略図を図１に示す。図１（ａ）は画像表示装置１００のｘｚ断面図であり、図１（ｂ）はｘｙ断面図である。
【００１８】
画像表示装置１００は、基板である前面板１０１と、この基板上に位置する発光部材である発光層１０４と、発光層１０４よりも散乱強度の低い低散乱部材１０６と、低散乱部材１０６と前面板１０１との間に位置する屈折率分布構造である微細構造１０５とを有する。尚、屈折率分布構造である微細構造１０５は、前面板１０１の発光層１０４が位置している面に平行な方向において屈折率分布を有している。そして本実施の形態においては、好ましい形態として光吸収層であるブラックマトリクス１０７を更に有し、発光層１０４、低散乱部材１０６、微細構造１０５、そしてブラックマトリクス１０７とで画素１０２を構成している。図１には１つの画素１０２を示しており、このような画素を複数個配列することで画像表示装置１００が形成されている。また各画素１０２は、ブラックマトリクス１０７で区切られている。前面板１０１は、可視光に対して透明な媒質で形成されており、例えばガラスを用いることができる。
【００１９】
発光層１０４は、例えば蛍光体を含む膜で形成され、波長３５０〜８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する。
低散乱部材１０６は、基板である前面板１０１の発光部材１０４が設けられた面と平行な方向であるｘｙ面内において発光層１０４を囲むように配置され、発光層１０４よりも光散乱性の低い媒質で形成されている。低散乱媒質として、例えば樹脂などを用いることができる。尚、以下において低散乱部材１０６は低散乱領域という場合もある。
【００２０】
屈折率分布構造である微細構造１０５は、異なる屈折率を有する２種類以上の媒質から形成され、前面板１０１の発光層１０４を有する面と平行な方向であるｘｙ面内にて屈折率分布を有している。
【００２１】
屈折率分布構造である微細構造１０５の一例を図２に示す。図２（ａ）、（ｂ）は、微細構造１０５のｘｙ断面図およびｘｚ断面図である。微細構造１０５は、第一の媒質からなる部材中に、第一の媒質とは屈折率の異なる第二の媒質で形成された部材が、離散的に配列されている。図２に示す構成では、第一の媒質からなる層２０２の中に、直径２１１、高さ２１２の第二の媒質からなる円柱構造２０１が、前面板１０１の発光層１０４を有する面と平行な方向であるｘｙ面内において、配列周期（格子周期）２１０を有する三角格子状に配列されている。尚、以下においては、第二の媒質からなる部材（本実施形態では円柱構造）２０１の配列周期２１０を、単に微細構造１０５の格子周期という場合がある。そして、格子周期２１０の長さは、微細構造１０５に入射した光を複数の回折光に分配できる長さに設定されている。
【００２２】
このような表示装置１００において、発光層１０４に電子９０を照射させることで光を発生し、その一部が表示光１０８として外部に抽出され、画像を表示する。発光層１０４を照射する電子９０は、例えば前面板１０１に対向配置された電子放出素子と、微細構造１０５と発光層１０４との間に設けた透明電極とによって得ることが出来る。具体的には、電子放出素子に電界をかけることで放出した電子を、透明電極に高電圧を印加することで発光層１０４に向けて加速させることで、発光層１０４に電子９０を照射させることが出来る。このような構成では、発光層１０４の裏面側（前面板１０１と反対側の面側）は真空で形成される。
【００２３】
また、画像表示装置１００に外部から外光１０９が入射すると、外光１０９は発光層１０４にて散乱（又は微細構造１０５により回折）され、複数の散乱光（又は回折光）に分配される。ここで、散乱光（又は回折光）のうち、＋ｚ方向に進む光を外光反射光１１０と呼ぶ。
【００２４】
本発明の実施形態の画像表示装置においては、低拡散部材１０６と屈折率分布構造である微細構造１０５とを有することによって、外光１０９の反射を低減し、また屈折率分布構造である微細構造１０５を有することによって、表示輝度を高めることが可能となる。以下これについて、その理由を説明する。まず、外光１０９の反射を低減することについて説明する。
【００２５】
図３（ａ）を用い、画像表示装置１００の外部より、外光１０９が入射したときに、微細構造１０５で発生する反射回折光の伝搬の様子について説明する。図３（ａ）に示される画像表示装置１００は、図１と同様の構成を備えており、微細構造１０５が形成される領域のｘｚ断面図を部分拡大して示している。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、反射回折光のうち、前面板１０１と外部領域との界面における臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は、界面で全反射される。全反射された光は、外部に放出されずに、前面板１０１内を伝搬し、図３（ａ）には示していないが、周囲に設けられたブラックマトリクスで吸収され、減衰する。この光を減衰光１１３と呼ぶ。一方、臨界角よりも小さい角度で伝搬する回折光は、外部に放出され、外光反射光１１０となる。外光反射光１１０のうち、外光１０９の入射角度と同じ反射角度を有する外光反射光を正反射光１１２と呼び、それ以外の外光反射光を拡散反射光１１１と呼ぶ。
【００２７】
また、図３（ｂ）を用い、画像表示装置１００の外部より、外光１０９が入射したときに微細構造１０５にて発生する透過回折光の伝播の様子について説明する。図３（ａ）と同様に、図３（ｂ）に示される画像表示装置１００は、図１と同様の構成を備えており、微細構造１０５が形成される領域のｘｚ断面図を部分拡大して示している。
【００２８】
図３（ｂ）では、透過回折光１１４のうち、低散乱領域１０６と真空の界面において反射した光１１５は、再度微細構造１０５に入射し、透過回折光１１６が発生する。透過回折光１１６のうち、前面板１０１と外部領域との界面における臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は、界面で全反射される。全反射された光は、外部に放出されずに、前面板１０１内を伝搬し、図３（ｂ）には示していないが、周囲に設けられたブラックマトリクスで吸収され、減衰する。この光を減衰光１１３と呼ぶ。一方、臨界角よりも小さい角度で伝搬する回折光は、外部に放出され、外光反射光１１０となる。透過回折光１１４のうち、回折角度の大きい光１１７は、低散乱領域１０６と真空の界面において反射され、図３（ｂ）には示していない周囲に設けられたブラックマトリクスで吸収されることで減衰光１１３となる。
【００２９】
微細構造１０５からの反射光の反射率は、微細構造１０５を形成する第一の媒質の−ｚ側の界面及び＋ｚ側の界面のフレネル反射率と第一の媒質の体積率との積と、第二の媒質の−ｚ側の界面及び＋ｚ側の界面のフレネル反射率と第二の媒質の体積率との積との和で表される。本願においては、この和を平均反射率と呼ぶ。全回折次数の反射率総和は、平均反射率と等しくなる。微細構造１０５が屈折率分布を有するため、具体的には後述のように柱状構造２０１の配列周期を整えることで、反射回折光１１１，１１２の強度は透過回折光１１４の強度に比べて低くなるため、平均反射率が低くなる。すなわち、微細構造１０５にて発生する回折光の多くが透過回折光１１４となる。さらに、低散乱領域１０６と真空の界面の反射率は低く、透過回折光１１４の大部分は真空側へ透過するため、すなわち透過光１１８が多く、反射光１１５は少ないため、透過回折光１１６の強度は低い。また、低散乱領域１０６と真空の界面にて反射された光１１５の一部は減衰光１１３となる。以上から、微細構造１０５及び低散乱領域１０６が形成された領域では、低い拡散反射率を得ることができる。
【００３０】
次に発光層１０４における外光反射と、表示輝度の向上との関係について説明する。
まず図４を用いて、画像表示装置１００の外部より、外光１０９が入射したときに発光層１０４にて発生する拡散反射光の伝播の様子について説明する。図４に示される画像表示装置１００は、図１と同様の構成を備えており、発光層１０４が形成される領域のｘｚ断面図を部分拡大して示している。
【００３１】
図４に示すように、外光１０９が発光層１０４に入射すると、その一部は発光層１０４の表面にて散乱され、表面散乱光１５１となる。表面散乱光１５１のうち、前面板１０１と外部領域界面の全反射角度より小さい角度で伝播する光が表面拡散反射光１５３となる。さらに、発光層１０４内部に侵入した外光１０９は、発光層１０４により散乱され内部散乱光１５２となる。内部散乱光１５２のうち、＋ｚ方向に伝播し且つ前面板１０１と外部領域界面の全反射角度より小さい角度で伝播する光が内部拡散反射光１５４となる。表面散乱光１５１及び内部散乱光１５２のうち、前面板１０１と外部領域界面の全反射角度よりも大きい角度で伝播する光は、前面板１０１内を伝播し、図４には図示していない周囲に設けられたブラックマトリクスにて吸収され、減衰光となる。
【００３２】
内部散乱光１５２の強度は、外光１０９が発光層１０４内部を伝播する長さが長くなるに従い、指数関数に比例して増加する。そのため、発光層１０４の高さが高くなると（図中Ｚ方向の長さが長くなると）、内部拡散反射光１５４の強度が急激に高くなる。発光層１０４の高さを低くすることで、内部散乱光１５２の強度を低くすることができるが、同時に、発光層１０４を励起する電子の吸収が不十分になり表示輝度が低下する。
【００３３】
図５を用い、画像表示装置１００の内部から、発光層１０４にて発生し、低散乱領域１０６を介して微細構造１０５に入射する光５０１の伝播の様子を説明する。図５に示される画像表示装置１００は、図１と同様の構成を備えており、低散乱領域１０６が形成される領域のｘｚ断面図を部分拡大して示している。
【００３４】
図５に示すように、光５０１は、微細構造１０５により回折され、複数の透過回折光が発生する。透過回折光のうち、前面板１０１と外部領域界面の全反射角度以内の透過回折光が、外部領域へ取出され表示光１０８となる。微細構造１０５を形成しない場合には前面板１０１と外部領域界面にて全反射される入射角度を有する光５０１も、微細構造１０５を形成することで、複数の透過回折光に分配することができ、外部領域に取出すことができる。すなわち、屈折率分布構造である微細構造１０５を有することによって、発光層１０４で電子線励起によって生じた光の利用率を向上させることが出来るため、外部領域に取出される表示光１０８が増加し、画像表示装置の表示輝度を高めることができる。
【００３５】
このように本発明の実施の形態の画像表示装置１００では、発光層１０４の周囲に低散乱領域１０６を配置することにより、ブラックマトリクス１０７の開口部からの拡散反射率を低減している。開口部における拡散反射率低減により、開口部面積を広げても画素あたりの拡散反射率を従来と同等または低くすることができる。また開口部面積を広げることで、発光層１０４にて発生した光（表示のための光）がブラックマトリクスに吸収される割合を低減し、発光層１０４にて発生した光を効率よく外部領域へ取出すことができる。さらに、低散乱領域１０６と前面板１０１の間に微細構造１０５を配置することにより、発光層１０４にて発生した後、低散乱領域１０６に漏れてきた光を効率よく外部領域へ取出すことができる。以上から、本発明の実施の形態の画像表示装置は、低い拡散反射光強度と高い表示輝度を両立する画像表示装置を形成している。
【００３６】
以下では、本発明の実施形態の画像表示装置において、外光反射率を低減できる格子周期（部材２０１（円柱構造２０１）の配列周期）の好ましい範囲について説明する。
【００３７】
微細構造１０５に入射した光は、次の式１を満たす回折次数の光が発生する。
【００３８】
【数１】
【００３９】
上記式１において、λは入射光の波長、Ｎｉｎは入射光が伝搬する領域の屈折率、Ｎｏｕｔは反射回折光あるいは透過回折光が伝搬する領域の屈折率を表している。θｉｎは入射光の入射方向と周期構造に垂直な方向との間の角度、Λは微細構造の格子周期、ｍは回折次数で任意の整数を表している。
【００４０】
式１において、長い波長になるほど高次の回折光が出にくいことから、可視域で長波長側に相当する波長を選択し、入射光の波長を７００ｎｍとする。また、入射光および回折光が伝搬する領域の屈折率ＮｉｎおよびＮｏｕｔを、一般的に用いられている前面板であるガラス基板の屈折率と同じ１．５とし、外光の入射角度θｉｎを、周期構造に対して垂直な方向となる０度とした。微細構造１０５の格子周期２１０が１μｍ以上の長さにすることで、２次以上の高次の回折光を多数発生されることができる。
【００４１】
微細構造１０５に入射した光は多数の回折光に分配されるため、各光線の強度は非常に小さい値となる。また、外光反射光は多数の回折光を積算した光となる。外光の波長は入射角度が変動しても、外光は多数の回折光に分配され、各光線の強度は非常に小さいため、これら多数の回折光の和であらわされる外光反射光の変動も小さくなる。そのため、本実施形態に記載の外光入射角度だけではなく、他の入射角度についても本実施形態に記載の画像表示装置は、低い拡散反射率を有することができる。
【００４２】
なお、格子周期が大きくなると、高次の回折光強度が小さくなり、０次回折光の強度が大きくなるため、正反射光が増大し、画像表示装置のコントラストが低下する。
【００４３】
以上の理由から、格子周期の長さは１μｍ以上且つ３μｍ以下とすることにより、外光の波長や入射角度に因らず、外光反射率を低減した画像表示装置を得ることができる。本実施形態においては、微細構造１０５を三角格子の格子点状に円柱構造２０１を配置したが、格子周期の長さが１μｍ以上且つ３μｍ以下を有する正方格子の格子点状に円柱構造２０１を配置してもよい。また、微細構造１０５は、円柱構造２１０間の格子周期に相当する平均距離が１μｍ以上且つ３μｍ以下の非周期構造を有していても良い。望ましくは、微細構造１０５を対称性の高い三角格子構造、または非周期構造とすることにより、表示光の配向分布をより等方的にすることができる。
【００４４】
尚、本実施の形態においては、低散乱領域１０６を屈折率１．５の透明材料により構成して説明したが、光散乱性を有する媒質または、誘電体中に微粒子を分散させた膜で構成してもよい。
【００４５】
微細構造１０５及び低散乱領域１０６からの拡散反射光は、微細構造１０５による拡散反射光と、微細構造１０５を透過した光が低散乱領域１０６内部にて散乱され、外部領域側へ反射する拡散反射光に分けることができる。外光１０９の一部が微細構造１０５にて反射され、また一部が低散乱領域１０６に入射する。低散乱領域１０６内に入射した光は、低散乱媒質１０６を構成する散乱媒質により散乱され、その一部が拡散反射光として外部領域に反射される。
【００４６】
微細構造１０５及び低散乱領域１０６からの拡散反射光強度が、高くなるのは低散乱領域１０６を構成する散乱媒質が等方散乱性を有するときである。この時、微細構造１０５の拡散反射率Ｒｓｃ２及び低散乱領域１０６の拡散反射率Ｒｓｃ１は、式２のように表すことができる。
【００４７】
【数２】
【００４８】
ここで、Ｔ２は微細構造１０５の透過率、μ１は低散乱領域１０６の散乱係数、Ｌは低散乱領域１０６の厚みである。拡散反射率の低い画像表示装置を得るためには、Ｒｓｃ１が発光層１０４を形成した領域の拡散反射率Ｒｓｃよりも低いことが求められる。すなわち、低散乱領域１０６の光散乱性に因らず低い拡散反射率を有する画像表示装置を構成するためには、低散乱領域１０６が、式３を満たすことが望ましい。
【００４９】
【数３】
【００５０】
上記のとおり、屈折率分布構造である微細構造１０５の、第一の媒質からなる部材である層２０２中に配列された、第一の媒質とは屈折率が異なる第二の媒質からなる部材である円柱構造２０１の配列周期は、１μｍ以上且つ３μｍ以下であることが好ましい。これによって、外光の波長や入射角度によらず、外光反射率を低減することが出来る。
【００５１】
また、第二の媒質からなる部材である円柱構造２０１は、三角格子状に配列されているのが好ましい。これによって、表示光の配向分布をより等方的にすることが可能となり、良好な画像表示が実現できる。
【００５２】
以下の実施例に基づき、本発明の具体例を説明する。
【実施例１】
【００５３】
図１の画像表示装置１００において、発光層１０４は、屈折率２．２、平均粒子径１μｍを有する微粒子状の蛍光体を体積率５０％で充填し、ｘｚ断面の高さが５μｍになるよう形成している。発光層１０４は、図１（ｂ）に示すようにｘｙ面内にて画素の中央部分、且つ領域面積が画素面積の４％になるように形成されている。
【００５４】
発光層１０４の周囲に配置される低散乱領域１０６は発光層１０４よりも散乱強度が低くなるように、屈折率１．５の透明材料で構成され、低散乱領域１０６のｘｚ断面の高さは発光層１０４と等しい高さを有している。低散乱領域１０６は、ｘｙ面内の領域面積が画素面積の１４％になるように形成されている。すなわち、画像表示装置１００では、ブラックマトリクスの開口部面積が画素面積の１８％になるよう形成されている。
【００５５】
微細構造１０５は図２に示す構成のものを用い、低散乱領域１０６と前面板１０１の間に配置した。尚、円柱構造２０１の配列周期である格子周期２１０は１７００ｎｍ、円柱２０１の直径は１４５０ｎｍの長さを有しており、微細構造１０５のｘｚ断面の高さ２１２は１４５０ｎｍを有している。
【００５６】
円柱２０１を形成する第二の媒質は屈折率２．２、周囲の領域２０２を形成する第一の媒質は屈折率１．５を有しており、前面板１０１の発光層１０４が形成されている面と平行な方向において、層２０２中に円柱構造２０１が周期的に配列されることにより、屈折率分布構造を形成している。尚、前面板１０１は屈折率が１．５の媒質で形成されている。
【００５７】
発光層１０４の裏面の領域は真空となっている。また、微細構造１０５と低散乱領域１０６の間、及び前面板１０１と発光層１０４の間には、発光層１０４を励起する電子を加速するための電極として、屈折率１．８を有する図示しない透明電極層を１００ｎｍの厚さになるよう形成している。
【００５８】
このような画像表示装置１００において、発光層１０４を電子線によって励起すると、発光層１０４にて発生した光の３６％が外部領域に取出される。さらに、画像表示装置１００に、波長５５０ｎｍの外光１０９を前面板と垂直な方向（ｚ軸方向）から入射すると、拡散反射率は４％となる。
本実施例の画像表示装置と、従来の画像表示装置との比較を以下説明する。
【００５９】
（比較例１）
従来の画像表示装置８００の一例を図８に示す。図８（ａ）は画像表示装置８００のｘｚ断面図である。
画像表示装置８００は、前面板８０１上に、光散乱性を有する発光層８０４、光吸収性を有するブラックマトリクス８０７とを有している。発光層８０４に電子８１１を照射することによって光が発生し、この光が前面板８０１を介して外部に取出されることで表示光８０８となる。尚、８０２は発光層、ブラックマトリクスからなる画素である。
【００６０】
図８（ｂ）は画像表示装置８００のｘｙ断面図である。ブラックマトリクス８０７の中央部に画素８０２の面積率１２％の開口部が形成されている。発光層８０４の発光材料としては、例えば波長３５０〜８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する蛍光体を用いることができる。
【００６１】
前面板８０１の上方から−ｚ方向に外光が入射すると、外光は発光層８０４を形成する発光材料により表面散乱及び内部散乱光が発生し、前面板８０１を介して外部領域に反射され，拡散反射光８１０となる。
【００６２】
このような画像表示装置８００において、発光層８０４は、屈折率２．２、平均粒子径１μｍを有する微粒子状の蛍光体を体積率５０％で充填し、ｘｚ断面の高さは５μｍになるよう形成している。また、ブラックマトリクスの開口部面積は、画素面積の１２％になるよう形成されている。
【００６３】
前面板１０１は屈折率が１．５の媒質で形成されている。また、発光層８０４の裏面の領域は真空となっている。
このような画像表示装置８００において、発光層８０４を励起すると、発光層８０４にて発生した光の２８％が外部領域に取出される（表示光８０８）。尚、画像表示装置８００に、波長５５０ｎｍの外光８０９を前面板と垂直な方向（ｚ軸方向）から入射した際の、拡散反射率は４％となった。
【００６４】
比較例１に示す画像表示装置８００では、ブラックマトリクスの開口部面積率が実施例１に比べて小さいため、低い拡散反射率を得ている。しかし、ブラックマトリクスにより光吸収損失が大きく、発光層８０４にて発生した光（表示のための光）が外部領域へ取出される割合が低い。そのため、表示輝度が低下する。比較例１に示す画像表示装置８００では、表示輝度が低いため、コントラストが低下する。
【００６５】
一方、実施例１の画像表示装置１００では、低い拡散反射率と高い取出し効率を得ている。すなわち、周囲の環境によらず、高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。
【００６６】
本実施例においては、外光１０９の波長を人の眼にとって敏感な５５０ｎｍとしたが、微細構造１０５の格子周期２１０を複数の回折光が発生するよう大きく設定することにより、波長３５０〜８００ｎｍの波長域において低い拡散反射率を実現することが可能である。
【００６７】
また、低散乱部材１０６は、本実施例に記載の屈折率を有する媒質に制限されるものではない。望ましくは、透明電極層よりも低い屈折率を有する媒質を用いることで、低散乱部材１０６と透明電極層の界面における全反射を抑制し、発光層１０４にて発生した光を効率よく外部領域へ取出すことができる。
【００６８】
また、本実施例においては、低散乱部材１０６のｘｚ面内の高さを、発光層１０４のｘｚ面内の高さと等しくしたが、異なる高さを有していてもよい。望ましくは、発光層１０４のｘｚ面内の高さ以上にすることで、発光層１０４から低散乱領域１０６内に入射する光が増え、発光層１０４にて発生した光を効率よく外部領域へ取出すことができる。さらに、発光層１０４の下面（裏面側）にも低散乱領域１０６を配置しても、本発明の効果は失われない。
【００６９】
尚、本実施例においては、上述のとおり、屈折率１．５を有する第一の媒質からなる部材２０２と、屈折率２．２の第二の媒質からなる円柱構造２０１とを用いて微細構造１０５を形成したが、微細構造１０５の構成はこれに限らず、様々な構成を採用し得る。例えば、第二の媒質として気体もしくは真空を採用することも可能である。以下に本発明に用いることが出来る画像表示装置の作成例を示す。
【００７０】
画像表示装置１００は、一般に知られる画像表示装置作製技術及び微細加工技術を用いて作製することができる。図７（ａ）〜（ｅ）に、画像表示装置１００の作製方法要部概略図を示す。
図７（ａ）に示す基板７０１上にマスクを形成した後、電子ビームまたはフォトリソグラフィによる露光とエッチングを組み合わせた半導体リソグラフィ手法またはナノインプリントによる刻印手法により、基板７０１に孔状微細構造を形成する。孔状微細構造の形成工程においては、基板７０１上にＳｉＯ２等の微小球を配列し、この微小球をマスクにエッチングを用いて形成してもよい。孔状微細構造形成後、スピンコートまたはスパッタ等の成膜手法により微細構造７０５を形成している（図７（ｂ））。この時、マスク形状またはナノインプリントの型を調整することで、所望の領域にのみ微細構造７０５を形成することができる。微細構造７０５を形成した後、ブラックマトリクス７０７、図示しない透明電極を形成し（図７（ｃ））、その後、発光層７０４を形成する（図７（ｄ））。発光層７０４を形成した後、スピンコート等の成膜手段により低散乱領域７０６を形成する（図７（ｅ））。低散乱領域７０６を構成する媒質として、ＴｉＯ２等の金属酸化物のほか、ＳｉＯ２等の誘電体、及びＰＭＭＡなどの高分子有機材料を用いることができる。以上の工程の後、図示しない電子放出素子等を形成することで本発明を適用できる画像表示装置１００を作製することができる。
【００７１】
このように、本発明の画像表示装置は、一般に知られる画像表示装置作製技術及び微細加工技術を用いて作製することができる。
【実施例２】
【００７２】
本実施例にかかる画像表示装置６００の要部概略図を、図６に示した。図６（ａ）は画像表示装置６００のｘｚ断面図であり、図６（ｂ）はｘｙ断面図である。
画像表示装置６００においては、発光層１０４の上面（前面板１０１側）及び下面に反射膜６０１を配置し、さらに発光層１０４の上面側の反射膜６０１と前面板１０１の間にブラックマトリクス１０７を配置している。その他の構成については図１の画像表示装置と同様である。反射膜６０１としては、例えば、Ａｇ等の金属膜や、屈折率の異なる誘電体を積層した反射膜を用いることができる。望ましくは、損失の低い反射膜を用いることで、発光層１０４にて発生した光の損失を低減し、表示輝度の高い画像表示装置を構成することができる。発光層１０４の上面側に配置されるブラックマトリクスは、発光層１０４の上面のみに配置する必要は無く、低散乱領域１０６上の一部領域にも配置してもよい。望ましくは、拡散反射率が高い発光層１０４上のみにブラックマトリクスを配置することで、発光層１０４にて発生した光の損失を低減でき、表示輝度の高い画像表示装置を構成することができる。
【００７３】
本実施例の画像表示装置６００では、不図示の電子放出素子より電子９０が発光層１０４に注入され、発光層１０４にて光が発生する。発光層１０４にて発生した光６０２は発光層１０４内を散乱しながら伝播し、低散乱領域１０６内に射出する。低散乱領域１０６内に射出した光は、微細構造１０５及び前面板１０１を介して外部領域に取出され、表示光１０８となる。
【００７４】
外光１０９のうち、ブラックマトリクス１０７に入射した光は、ブラックマトリクスにより吸収される。微細構造１０５に入射した光は、微細構造１０５により反射され、一部が外光反射光１１０となる。
【００７５】
発光層１０４は、平均粒子径１μｍの微粒子状の蛍光体を体積率５０％で充填して形成し、ｘｚ断面の高さは５μｍを有している。発光層１０４はｘｙ面内において、画素の中央部分、且つ形成領域面積が画素面積の４％になるように形成されている。
【００７６】
発光層１０４の周囲は、発光層１０４よりも散乱強度が低くなるように、屈折率１．５の低散乱領域１０６が設けられ、低散乱領域１０６のｘｚ断面の高さは発光層１０４と同じ高さを有している。低散乱領域１０６は、ｘｙ面内において、領域面積が画素面積の１４％になるように形成している。すなわち、画像表示装置６００では、ブラックマトリクスの開口部面積が画素面積の１８％になるよう形成されている。
【００７７】
微細構造１０５は低散乱領域１０６と前面板１０１の間に配置され、円柱構造２０１の配列周期である格子周期２１０は１７００ｎｍ、円柱２０１の直径は１４５０ｎｍの長さを有しており、微細構造１０５のｘｚ断面の高さ２１２は１４５０ｎｍを有している。
【００７８】
円柱２０１を形成する第二の媒質は屈折率２．２、周囲の領域２０２を形成する第一の媒質は屈折率１．５を有している。前面板１０１は屈折率が１．５の媒質で形成されている。また、発光層１０４の裏面の領域は真空となっている。
【００７９】
このような画像表示装置６００において、発光層１０４を電子照射によって励起すると、発光層１０４にて発生した光の３４％が外部領域に取出される。さらに、画像表示装置６００に、波長５５０ｎｍの外光１０９を前面板と垂直な方向（ｚ軸方向）から入射すると、拡散反射率は２％となる。
【００８０】
画像表示装置６００では、発光層１０４にて発生した光は、発光層１０４内を散乱しながら伝播し、低散乱領域１０６上に配置した微細構造１０５に入射し、複数の回折光が発生する。複数の回折光のうち、前面板１０１と外部領域界面の全反射角度以内の回折角度を有する光が外部領域へ取出され表示光１０８となる。
【００８１】
本実施例の画像表示装置６００では、反射膜６０１上面にブラックマトリクス１０７を配置することにより、拡散反射率の高い発光層１０４への光の入射が抑制され、拡散反射率をより低減した画像表示装置を得ることができる。すなわち、本実施例の画像表示装置６００は、使用環境によらず、より高いコントラストを有する画像表示装置を実現している。
【００８２】
本実施例においては、外光１０９の波長を人の眼にとって敏感な５５０ｎｍとしたが、微細構造１０５の格子周期２１０を複数の回折光が発生するよう大きく設定することにより、波長３５０〜８００ｎｍの波長域において低い拡散反射率を実現可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１００ 画像表示装置
１０１ 前面板
１０４ 発光層
１０５ 微細構造
１０６ 低散乱領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に位置する発光部材と、
前記基板の前記発光部材を有する面と平行な方向において該発光部材を囲んで位置する、該発光部材よりも散乱強度の低い低散乱部材と、
前記低散乱部材と前記基板との間に位置し、前記基板の前記発光部材を有する面と平行な方向において屈折率分布を有する屈折率分布構造と、
を有する画像表示装置。
【請求項２】
前記屈折率分布構造は、第一の媒質からなる部材中に前記第一の媒質とは屈折率が異なる第二の媒質からなる部材が、前記基板の前記発光部材が位置する面と平行な方向に周期的に配列されており、該第二の媒質からなる部材の配列周期が、１μｍ以上且つ３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記第二の媒質からなる部材が、三角格子状に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記発光部材と前記基板との間に光吸収層を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に位置する発光部材と、
前記基板の前記発光部材を有する面と平行な方向において該発光部材を囲んで位置する、該発光部材よりも散乱強度の低い低散乱部材と、
前記低散乱部材と前記基板との間に位置し、前記基板の前記発光部材を有する面と平行な方向において屈折率分布を有する屈折率分布構造と、
を有する画像表示装置。
【請求項２】
前記屈折率分布構造は、第一の媒質からなる部材中に前記第一の媒質とは屈折率が異なる第二の媒質からなる部材が、前記基板の前記発光部材が位置する面と平行な方向に周期的に配列されており、該第二の媒質からなる部材の配列周期が、１μｍ以上且つ３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記第二の媒質からなる部材が、三角格子状に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記発光部材と前記基板との間に光吸収層を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３４０６５（Ｐ２０１２−１３４０６５Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８６５３１（Ｐ２０１０−２８６５３１）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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