(57)【要約】【課題】本発明は、表示できる色域の拡大と色覚の個人差低減を簡易に両立可能な発光装置および表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の発光装置は、光源と、前記光源が発する光の一部を透過し、かつ前記光源が発する光の他の一部を第１の色の光に変換し、かつ前記第１の色の光のスペクトルの形状をフォトニック結晶により矩形状に成形する第１の変換部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図４
2018078252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源が発する光の一部を透過し、かつ前記光源が発する光の他の一部を第１の色の光に変換し、かつ前記第１の色の光のスペクトルの形状をフォトニック結晶により矩形状に成形する第１の変換部と、
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記第１の変換部は、複数のフォトニック結晶を有し、
前記複数のフォトニック結晶のそれぞれが発する光のピーク波長は互いに異なり、かつ前記複数のフォトニック結晶のそれぞれが発する光の合成光のスペクトルの形状は矩形状である
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記第１の変換部は、前記複数のフォトニック結晶が並置されることにより形成されることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記フォトニック結晶は、前記光源が発する光を前記第１の色の光に変換する量子ドットを含む複数の粒子が３次元に配置され、かつ前記粒子の間には前記粒子と異なる屈折率を有する充填材が充填された屈折率の周期構造を有し、前記第１の色の光のスペクトルの中心波長を決定し、かつ前記スペクトルの幅を狭める、前記粒子の周期欠陥による共振器が形成されており、
前記複数のフォトニック結晶のそれぞれは、発する光のピーク波長が互いに異なり、かつ前記光の合成光のスペクトルの形状が矩形状になるように、前記粒子のサイズと、前記粒子と前記充填材との屈折率差とが設定されている
ことを特徴とする請求項２または３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記第１の変換部を形成する前記複数のフォトニック結晶においては、共通の量子ドットが用いられる
ことを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記第１の変換部を透過した光の一部を透過し、かつ前記第１の変換部を透過した光の他の一部を第２の色の光に変換し、かつ前記第２の色の光のスペクトルの形状をフォトニック結晶により矩形状に成形する第２の変換部と、
前記第２の変換部を透過した光の一部を透過し、かつ前記第２の変換部を透過した光の他の一部を第３の色の光に変換し、かつ前記第３の色の光のスペクトルの形状をフォトニック結晶により矩形状に成形する第３の変換部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項７】
前記第１の色の光の波長は、前記第２の色の光の波長よりも長く、
前記第２の色の光の波長は、前記第３の色の光の波長よりも長い
ことを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
【請求項８】
前記第１の変換部、前記第２の変換部および前記第３の変換部は積層され、変換後の光の波長が長いほど前記光源の近くに配置される
ことを特徴とする請求項６または７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記第１の色は赤であり、
前記第２の色は緑であり、
前記第３の色は青である
ことを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記矩形状のスペクトルの半値全幅は４０ｎｍ〜６０ｎｍである
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記光源は、紫外光を発生する紫外ＬＥＤである
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１２】
板状の形状を有し、前記第１の変換部が変換した光を導入しかつ面内に拡散する導光部をさらに備え、
前記光源および前記第１の変換部は、前記導光部の端部に配置される
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１３】
前記光源と、前記第１の変換部と、が同一の封止構造内に配置され、発光素子を形成する
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の発光装置と、
前記発光装置が発する光を変調することにより画像を表示する表示部と、
を備えることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光装置および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子ドットとは、粒径が数ｎｍ〜２０ｎｍ程度の半導体の粒であり、蛍光体と同様、光により励起されて発光する。量子ドットは、電子の閉じ込めによる効果で発光エネルギーが限定されて、高い量子効率で狭スペクトルの発光特性をもつ。量子ドットの粒径や材料を調整することで、所望のスペクトル特性を作り込むことが可能である。量子ドットは、粒子が小さいほど短い波長の光を出力し、粒子が大きいほど長い波長の光を出力する（特許文献１）。発光の色純度が高く、その発光特性が制御できるという特性を利用して、広色域ディスプレイへの応用が考案されている。
【０００３】
フォトニック結晶と呼ばれる光素子の開発が進んでおり、高効率なレーザーや、高機能な光ファイバなどへの応用が期待されている。フォトニック結晶は、屈折率が周期的な分布をもった構造を有する。この屈折率分布の周期は、光の波長程度で、サブミクロンオーダーである。この屈折率分布の周期構造が、３次元に広がっているものが３次元のフォトニック結晶である。３次元のフォトニック結晶の製造方法としては、微小粒子を配列、積層して屈折率周期構造を形成する技術が開示されている（特許文献２）。
【０００４】
フォトニック結晶には、特定波長の光は内部伝搬が禁止されるという性質があり、この禁止波長帯はフォトニックバンドギャップと呼ばれる。フォトニックバンドギャップの波長は、フォトニック結晶が有する屈折率周期構造によって決まる。具体的には、周期構造を形成する２種類の誘電体の屈折率差、および屈折率周期によってフォトニックバンドギャップの波長が決まる。すなわち屈折率差や周期を制御することで所望のフォトニックバンドギャップの特性を作り込むことができる。さらに、フォトニック結晶中に意図的に欠陥などの周期構造の乱れを設けると、その箇所に光が閉じ込められる局在モードを作り出すことができる。また、周期的欠陥部分の形状を適切に制御することにより、特定の波長の光のみを共振させることができる（特許文献３）。この特性を利用して、高効率な半導体レーザーや狭スペクトルのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）の実現が検討されている。フォトニック結晶を用いた発光素子を表示装置用の光源に応用することも考案されている。
【０００５】
量子ドットやフォトニック結晶を用いることで、狭スペクトルの発光デバイスが実現でき、この特性により表示装置の広色域化が可能となる。しかしながら、狭スペクトルの光源をもつ表示装置では、観察者毎に見える色が異なるという、色の見えの個人差が大きくなることが知られている。これは、人間の色覚の基礎となる錐体細胞の波長特性が、年齢の変動などによって個人毎に異なるからである。この色覚特性の変動モデルとして、ＣＩＥ（国際照明委員会）からＣＩＥ１７０−１が提案されている。
【０００６】
知覚される色は、人の視覚感度特性と、光スペクトルの積分結果により決まるが、急峻なピークを持つスペクトルの光では、狭いスペクトル領域における視覚感度特性の少しのぶれが、そのまま積分結果に大きく影響する。逆に、広くなだらかなスペクトル特性を持つ光では、視覚感度特性のぶれは広いスペクトルにわたって平均化されてならされるため、個人差による色の知覚ばらつきは小さくなる。
【０００７】
色覚の個人差低減と表示色域の拡大を両立させることを目的として、彩度が低い表示に用いる広スペクトル光源と、彩度が高い表示に用いる狭スペクトル光源を組み合わせる表
示装置が提案されている（特許文献４）。
また、発光波長特性を制御できる装置として波長可変レーザーがあり、レーザー光を光源に用いた表示装置も実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３１０３０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１２８２７４号公報
【特許文献３】特開２００５−３２８０４０号公報
【特許文献４】特表２０１２−５１５９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
通常、ＬＥＤなどの発光素子からのスペクトルや、色フィルタを用いて生成した光のスペクトルは、正規分布に近い裾をひく形状となる。表示装置においては、通常、赤、緑、青の三原色に対応した光を制御するが、裾をひくスペクトル形状では、裾部分の波長成分に重なりができる。この重なりがあると、赤、緑、青の色を独立に制御できず、色が混ざり多様な色を表現できないため、広色域化の妨げとなる。
【００１０】
一方、スペクトルの裾をなくすためには、量子ドットやフォトニック結晶を用いて狭スペクトルとすればよい。これにより表示色域が拡大する一方、色覚の個人差の課題が発生する。したがって、色覚の個人差低減と表示色域の拡大は、トレードオフとなっており、両立が困難という課題があった。上述の特許文献４においては、広スペクトルと狭スペクトルの複数の光源を設置して、解決をはかっている。しかしながら、複数光源が必要で構造と制御が複雑になるという課題があった。
また、レーザー光を表示装置の光源として用いて波長制御する場合は、レーザー光を表示装置に適用する際の光の拡散やスペックルノイズといった特有の課題があり、一般的な表示装置には適用するには容易ではなかった。
そこで本発明は、表示できる色域の拡大と色覚の個人差低減を簡易に両立可能な発光装置および表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の発光装置は、
光源と、
前記光源が発する光の一部を透過し、かつ前記光源が発する光の他の一部を第１の色の光に変換し、かつ前記第１の色の光のスペクトルの形状をフォトニック結晶により矩形状に成形する第１の変換部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、表示できる色域の拡大と色覚の個人差低減を簡易に両立可能な発光装置および表示装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る光源を構成するフォトニック結晶の構造を示す図
【図２】実施例１に係るフォトニック結晶を構成する微小球体を示す図
【図３】実施例１に係る周期欠陥をもったフォトニック結晶の構造を示す図
【図４】実施例１に係る赤発光用フォトニック結晶群の構成図と発光スペクトル特性
【図５】実施例１に係る表示装置の構成概略図
【図６】実施例１に係る発光装置のスペクトル特性のグラフ
【図７】実施例１に係る発光装置の色域計算の結果のグラフ
【図８】実施例２に係る発光素子の構成概略図
【図９】実施例２に係る発光素子のフォトニック結晶群の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜実施例１＞
（フォトニック結晶）
本発明の実施例の一つである発光装置の構成、特性および、それを用いた表示装置の実現方法について説明する。なお、本実施例では上述した発光装置を表示装置のバックライトとして用いる。図１に、本実施例の発光装置を構成するフォトニック結晶の構造を示す。図１は、２次元屈折率周期構造１０２が積層されたフォトニック結晶１０３を示している。２次元屈折率周期構造１０２は、微小球体１０１が周期的に配置された構造を有している。以下に、この構成の詳細を説明する。
【００１５】
微小球体１０１は、ガラスやポリマーなどの屈折率の高い材料を球形状に形成した粒子である。微小球体１０１のサイズは、直径が数１００ｎｍ程度のサブミクロンオーダーである。微小球体１０１は球体内に量子ドットを含んでおり、これについては図２を用いて後述する。
２次元屈折率周期構造１０２は、微小球体１０１を平面上に規則的に並べた構造となっている。微小球体１０１の間は、微小球体１０１とは異なる屈折率をもつガラス、ポリマーといった材料（充填材）が充填されている。このように、２次元屈折率周期構造１０２は、屈折率が周期的に分布する構造が２次元に広がっている。
【００１６】
フォトニック結晶１０３は、２次元屈折率周期構造１０２をさらに積層し、３次元的に屈折率の周期構造が広がっている構造となっている。これにより、フォトニック結晶が形成されて、特定の周波数の光を結晶内から排除する効果を利用した特徴的な特性を得ることができる。光学的な特性は、屈折率の周期構造によって決まる。具体的には微小球体１０１の直径、微小球体１０１とその間の材料の屈折率差が光学的な特性を決める要素である。これらサイズ、屈折率差を調整することで、屈折率周期構造を調整することができ、所望の光学的特性を得ることができる。
【００１７】
図２を用いて、微小球体１０１の構成について説明する。微小球体１０１は、量子ドット２０１を多数含んだ構造となっている。量子ドット２０１のサイズは、数ｎｍ〜２０ｎｍ程度である。量子ドット２０１に外部より励起光が照射されると、励起光により量子ドット２０１内の電子が励起され、その後、電子のバンドギャップエネルギーに相当する波長の光を放出して、電子が安定化する。バンドギャップエネルギーは量子ドット２０１が持つ固有の物理量である。したがって、このバンドギャップエネルギーを必要とする色に対応させて作り込んでおくことで、所望の色の光の発光を得ることができる。量子ドット２０１では、電子の閉じ込めによる効果で発光エネルギーが限定され、高い量子効率の発光特性をもつ。なお、励起光のエネルギーは、量子ドット２０１のバンドギャップエネルギーを超える必要がある。すなわち、量子ドット２０１の発光波長よりも短波長の光が励起光として用いられる。本実施例では、励起光の一例として紫外光を用いることとして説明する。
【００１８】
図１で示したフォトニック結晶は、周期欠陥を導入していない構造であるが、図３Ａ、図３Ｂに周期欠陥を導入したフォトニック結晶の構成を示す。図３Ａが上面図で、図３Ｂが断面図である。周期欠陥とはフォトニック結晶中に周期的に設けた周期構造の乱れである。周期欠陥３０１は、量子ドット２０１が発する光のスペクトルの幅を狭くし、かつ中心波長を決定する共振器を形成する。図３Ａ、図３Ｂの周期欠陥３０１に示す通り、微小球体１０１が存在しない箇所を故意に導入する。この欠陥によりフォトニックバンドギャ
ップ中に、光が空間的、波長的に閉じ込められた局在モードを作り出すことができる。この効果により、鋭いピークを持つスペクトルの光のみを効率的に発光させることができる。
【００１９】
図３Ｂに周期欠陥３０１を含んだフォトニック結晶の断面図を示す。図３Ｂの上面が発光面３０２であり、発光した光が出力する面である。図３Ｂの下面が励起光入射面３０３であり、励起光が入力される面である。
【００２０】
周期欠陥３０１は、発光面３０２からフォトニック結晶１０３の内部まで連続的に設けられる。励起光はフォトニック結晶１０３のフォトニックバンドギャップの範囲外にある波長であり、励起光入射面３０３からの励起光は、フォトニック結晶内部に伝搬できる。励起光を受けて量子ドット２０１が発光し、光を放出する。その際、量子ドット２０１が発する光のうち、周期欠陥を導入したことで存在する局在モードに対応する光が周期欠陥３０１に集中する。これにより急峻なスペクトルの発光が実現できる。周期欠陥３０１は、特定の波長の光を共振させる共振器の役割と、光を発光面３０２へ導く導波路の役割を果たす。
【００２１】
周期欠陥３０１はフォトニック結晶１０３の内部から発光面３０２側まで存在するが、励起光入射面３０３側には存在しない。そのため、光は、励起光入射面３０３側には出力されず、発光面３０２側に効率的に導かれる。
【００２２】
図４Ａに、図３Ａおよび図３Ｂで示した量子ドット含有フォトニック結晶を用いた赤色発光バックライト光源の断面図を示す。図４Ａに示す赤色発光バックライト光源は、励起光として紫外光を発する紫外ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）４０１と、照射される紫外光を赤色の光に変換する赤発光用フォトニック結晶群４０２を有する。図４Ｂに、本構造により得られる発光スペクトルを示す。紫外ＬＥＤ４０１は、励起光用の紫外光を出力する。紫外光は赤発光用フォトニック結晶群４０２に照射される。
【００２３】
（フォトニック結晶群）
赤発光用フォトニック結晶群４０２は、赤発光用の量子ドットを含んだ３種類のフォトニック結晶が連接した構造となっている。本実施例では、赤発光用フォトニック結晶群４０２は、３種類のフォトニック結晶が平面状に並置されることにより形成される。３種類のフォトニック結晶は発光ピーク波長が少しずつ異なり、その波長をＲ１、Ｒ２、Ｒ３とする。発光ピーク波長は、フォトニック結晶の屈折率周期構造を形成する微小球体１０１のサイズ、屈折率差を所望の波長に合わせて設定することで実現される。赤発光用フォトニック結晶群４０２は、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の発光波長に応じて、それぞれＲ１発光用４０３、Ｒ２発光用４０４、Ｒ３発光用４０５の各フォトニック結晶を作りこんで連接させることによって実現される。紫外ＬＥＤ４０１から照射された励起光により、赤発光用フォトニック結晶群４０２に含まれる量子ドットが励起され発光し、出力光が得られる。このとき出力光のスペクトル特性は矩形状になり、この特性を赤矩形スペクトル４０６に示す。矩形スペクトルが得られる仕組みについては、後述する。
【００２４】
裾をひかない矩形スペクトルの光を出力する光源を用いると、表示装置の三原色である赤、緑、青それぞれの光の間の干渉が少なくなる。干渉が少ないことで各色を独立に制御できるため、広色域化が実現される。また、矩形スペクトルとして幅を持たせることで、個人差による視覚感度特性のばらつきを矩形幅の分、平均化してならすことができるため、色覚の個人差低減も実現できる。したがって、表示装置の光源の発光スペクトル特性を矩形スペクトルとすることで、色覚の個人差低減と表示色域の拡大を両立することができる。
【００２５】
次に、矩形スペクトルが得られる原理、構造について説明する。図４Ｂの赤量子ドット発光スペクトル４０７は、量子ドットの発光特性である。本実施例では、赤量子ドットが発する光は、発光ピーク波長が６２０ｎｍ、半値全幅が８０ｎｍ程度とする。発光ピーク波長値は、色空間の規格、定義で決まる値であり、設定値の一例として挙げている。
【００２６】
本実施例では、赤発光用フォトニック結晶群４０２に含まれる量子ドットは共通である。量子ドットの発光スペクトル特性は粒径に依存するため、急峻なスペクトル特性を持たせる場合、サイズが均一の量子ドットが必要となる。しかしながら、量子ドットのサイズはナノメートルオーダーであり、特性がそろった純度の高いものを製造することは、比較的困難である。本実施例においては、図４Ｂの赤量子ドット発光スペクトル４０７に示す通り、分布が広いスペクトル特性であるため、量子ドットの特性を高純度にそろえることは不要で、製造が容易であるという利点がある。本実施例では、量子ドットではなく、フォトニック結晶に形成された共振器により、鋭いスペクトル特性が実現される。
【００２７】
本実施例では発する光のピーク波長が互いに異なる複数のフォトニック結晶を連接することによりフォトニック結晶群が形成され、合成光のスペクトルが矩形状に成形される。以下、各フォトニック結晶と形成されるフォトニック結晶群との関係を、図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明する。Ｒ１発光用４０３のフォトニック結晶の発光特性を、Ｒ１発光スペクトル４０８に示す。発光ピーク波長がＲ１＝６００ｎｍ、半値全幅を２０ｎｍとする。励起光により量子ドットが励起されて発光する際、フォトニック結晶の光の閉じ込め効果により、局在モードでの発光が起こり、急峻なピークを持つスペクトル特性となる。同様に、Ｒ２発光用４０４のフォトニック結晶の発光特性を、Ｒ２発光スペクトル４０９に示す。発光ピーク波長がＲ２＝６２０ｎｍ、半値全幅を２０ｎｍとする。Ｒ３発光用４０５のフォトニック結晶の発光特性を、Ｒ３発光スペクトル４１０に示す。発光ピーク波長がＲ３＝６４０ｎｍ、半値全幅を２０ｎｍとする。
【００２８】
赤発光用フォトニック結晶群４０２はＲ１発光用４０３、Ｒ２発光用４０４、Ｒ３発光用４０５が連接した構造となっている。このため、赤発光用フォトニック結晶群４０２の全体としてのスペクトル特性は、Ｒ１発光スペクトル４０８、Ｒ２発光スペクトル４０９、Ｒ３発光スペクトル４１０を重ね合わせた特性となる。この重ね合わされた特性が赤矩形スペクトル４０６となっている。矩形スペクトルの半値全幅は６０ｎｍとなる。赤発光用フォトニック結晶群４０２は、各フォトニック結晶が発する光の急峻なスペクトルが重ね合されることにより、合成光の矩形状のスペクトルが実現される。赤発光用フォトニック結晶群４０２を形成する各フォトニック結晶は、発する光のピーク波長が互いに異なり、それら光の合成光のスペクトルの形状が矩形状になるように、微小球体１０１のサイズと、微小球体１０１と充填材との屈折率差とが設定されている。
【００２９】
赤発光用フォトニック結晶群４０２を一つの光の変換部としてみれば、赤発光用フォトニック結晶群４０２は光源が発する光の一部を透過し、かつ光源が発する光の他の一部を赤色の光に変換している。そして赤発光用フォトニック結晶群４０２は、赤色の光のスペクトルの形状をフォトニック結晶により矩形状に成形する役割を果たしている。
【００３０】
（表示装置の構成）
以上では赤発光用フォトニック結晶群４０２を用いてその構造と矩形スペクトルとなる特性を説明したが、表示装置はさらに緑、青のバックライト光源、および表示用の液晶パネルによって構成されている。図５Ａ、図５Ｂに表示装置全体の構成外略図を示す。図５Ａが正面図であり、図５Ｂが、図５Ａ中の中央破線における断面図である。図５Ａ、図５Ｂに示す通り、発光デバイスが表示装置下端一列に並ぶエッジ型バックライト構造となっている。より具体的には、図５Ａ、図５Ｂに示される表示装置は、紫外ＬＥＤ４０１、赤発光用フォトニック結晶群４０２、緑発光用フォトニック結晶群５０１、青発光用フォト
ニック結晶群５０５を有する。さらに図５Ａ、図５Ｂに示される表示装置は、反射板５１１、紫外光フィルタ５１２、導光板５０９、液晶パネル５１０を有する。
【００３１】
上述した本実施例に係る表示装置が有する各構成要素について簡単に説明する。紫外ＬＥＤ４０１は励起光として紫外光を発する光源である。各色に対応するフォトニック結晶群は、紫外ＬＥＤ４０１が発する紫外光を各色の光に変換し、各色の光のスペクトルを矩形状にする。反射板５１１は、紫外ＬＥＤ４０１が発する紫外光をフォトニック結晶群の方に反射する。紫外光フィルタ５１２は、導光板５０９に入射する光から紫外光を除去する。導光板５０９は、各フォトニック結晶群によって変換された光を、液晶パネル５１０に対応する画面の面内に拡散する。液晶パネル５１０は、導光板５０９が発する光を画素毎に変調することにより所望の画像を表示する表示部である。
【００３２】
なお、本実施例では表示部の一例として液晶パネル５１０を用いるものとして説明するが、表示部はこれに限らない。例えば、本実施例に係る表示部は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ
Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）シャッターを用いたＭＥＭＳシャッター方式の表示パネルであってもよい。
また、本実施例では励起光の一例として紫外光を用いて説明したが、フォトニック結晶群が変換する色の光よりも短波長の光であればよい。この場合、紫外光フィルタ５１２および反射板５１１は、励起光の波長に応じた材質に変更される。
【００３３】
本実施例に係る表示装置の詳細を説明する。表示装置下端には、図４Ａ、図４Ｂを用いて説明した紫外ＬＥＤ４０１および赤発光用フォトニック結晶群４０２が一列に並んでいる。さらに赤発光用フォトニック結晶群４０２の液晶パネル５１０側には、緑発光用フォトニック結晶群５０１および青発光用フォトニック結晶群５０５が、赤発光用フォトニック結晶群４０２と略平行に配置されている。緑発光用フォトニック結晶群５０１は、緑色光を生成し、青発光用フォトニック結晶群５０５は、青色光を生成する。赤発光用フォトニック結晶群４０２と合わせて、表示装置の赤、緑、青の三原色の光源となる。これらのフォトニック結晶群は、導光板５０９と紫外ＬＥＤ４０１との間に設置されている。
【００３４】
緑発光用フォトニック結晶群５０１は、緑発光用の量子ドットを含んだ３種類のフォトニック結晶を連接した構造となっている。３種類のフォトニック結晶は発光ピーク波長をそれぞれＧ１、Ｇ２、Ｇ３とする。Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の発光波長に応じて、それぞれＧ１発光用５０２、Ｇ２発光用５０３、Ｇ３発光用５０４の各フォトニック結晶が作りこまれている。青発光用フォトニック結晶群５０５も同様に、青発光用の量子ドットを含んだ３種類のフォトニック結晶を連接した構造となっており、それらの発光ピーク波長をそれぞれＢ１、Ｂ２、Ｂ３とする。Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の発光波長に応じて、それぞれＢ１発光用５０６、Ｂ２発光用５０７、Ｂ３発光用５０８の各フォトニック結晶が作りこまれている。緑発光用フォトニック結晶群５０１および青発光用フォトニック結晶群５０５は、赤発光用フォトニック結晶群４０２と同様に矩形スペクトルをもつ発光特性となる。詳細は図６を用いて、後述する。
【００３５】
導光板５０９は、例えば板状の形状を有し、フォトニック結晶群により変換された光を面内に拡散する導光部である。より具体的には、導光板５０９は、赤、緑、青の光を画面領域全面に拡散する。導光板５０９の端部には、紫外ＬＥＤ４０１、フォトニック結晶群および紫外光フィルタ５１２が配置され、フォトニック結晶群による変換光は紫外光を除去された後に導光板５０９に入射する。導光板５０９による面発光が液晶用のバックライトとして用いられる。液晶パネル５１０は導光板５０９の前面に設置され、表示画素が並ぶ液晶層、偏光フィルタ、透明電極、カラーフィルタが積層された構造となっている。液晶パネル５１０は画素毎に赤、緑、青それぞれの光の透過率を制御する。バックライトからの光は、液晶パネル５１０において画素毎に透過率が制御されて、画像を形成する。
【００３６】
図５Ｂの断面図を用いて、励起光から、赤、青、緑の光を得る過程を説明する。反射板５１１は、紫外ＬＥＤ４０１を覆って設置され、発生した紫外光をフォトニック結晶群側に反射させる。これにより紫外光を効率よく照射させる。反射板５１１は、赤発光用フォトニック結晶群４０２、緑発光用フォトニック結晶群５０１、青発光用フォトニック結晶群５０５も覆う形状であり、それぞれのフォトニック結晶群からの発光を導光板５０９に効率的に導くことにも役立っている。
【００３７】
紫外ＬＥＤ４０１からの紫外光は励起光として赤発光用フォトニック結晶群４０２に照射され、一部は吸収され赤色光に変換されるが、残りは透過する。透過した紫外光は緑発光用フォトニック結晶群５０１に照射されて、緑色光に変換される。この時も一部が吸収されて緑色光の発光に寄与し、残りが透過する。次に、青発光用フォトニック結晶群５０５に照射されて、青色光に変換される。ここで、量子ドットの励起光には発光波長よりも短い波長の光が用いられる。したがって、図５Ａ、図５Ｂのように各フォトニック結晶群を変換後の光の波長が長いほど光源の近くに配置することにより、より光源側に設けられたフォトニック結晶群からの変換光が波長変換されることがなくなる。これによって各フォトニック結晶群に対応する各色の光は、光源からの励起光だけから変換され、各色の制御が容易になる。
導光板５０９の入力端には、紫外光フィルタ５１２が設けられている。紫外光フィルタ５１２は青発光用フォトニック結晶群５０５からも透過した紫外光を除去するためのものである。
【００３８】
（各色の発光スペクトル）
図６に、図５Ａおよび図５Ｂに示した表示装置のバックライト光源で得られる赤、緑、青の発光スペクトルを示す。赤矩形スペクトル４０６は図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明した通り、赤発光用フォトニック結晶群４０２からの出力光の特性である。緑、青の光についても赤の光と同様の仕組み、構成により矩形スペクトルが実現される。緑矩形スペクトル６０１が緑発光用フォトニック結晶群５０１からの出力光の特性、青矩形スペクトル６０６が青発光用フォトニック結晶群５０５からの出力光の特性である。
【００３９】
緑量子ドット発光スペクトル６０２は、緑発光用フォトニック結晶群５０１に含まれる量子ドットの発光特性である。本実施例では、緑量子ドット発光スペクトル６０２は、発光ピーク波長が５３０ｎｍ、半値全幅が８０ｎｍ程度とする。青量子ドット発光スペクトル６０７は、青発光用フォトニック結晶群５０５に含まれる量子ドットの発光特性である。本実施例では、青量子ドット発光スペクトル６０７は、発光ピーク波長が４６０ｎｍ、半値全幅が８０ｎｍ程度とする。赤の発光ピーク波長と同様、緑、青の発光ピーク波長の値も、色空間の規格、定義によって決まる設定値の一例である。赤、緑、青の量子ドットはそれぞれ１種類とする。赤量子ドット発光スペクトル４０７の説明で述べた通り、これによって量子ドットの製造が容易になるという利点がある。
【００４０】
緑矩形スペクトル６０１は、Ｇ１発光スペクトル６０３、Ｇ２発光スペクトル６０４、Ｇ３発光スペクトル６０５の重ね合わせである。それぞれ緑発光用フォトニック結晶群５０１を構成するＧ１発光用５０２、Ｇ２発光用５０３、Ｇ３発光用５０４の発光スペクトル特性である。発光ピーク波長はそれぞれ、Ｇ１＝５１０ｎｍ、Ｇ２＝５３０ｎｍ、Ｇ３＝５５０ｎｍとし、半値全幅は全て２０ｎｍとする。緑矩形スペクトル６０１の半値全幅は６０ｎｍとなる。
本実施例では赤矩形スペクトル４０６、緑矩形スペクトル６０１および青矩形スペクトル６０６の半値全幅は６０ｎｍとして説明したが、これは一例である。互いに独立に制御できれば、半値全幅は値に幅をもってもよい。例えば、各矩形スペクトルの半値全幅は、４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲内であればよい。
【００４１】
同様に、青矩形スペクトル６０６は、Ｂ１発光スペクトル６０８、Ｂ２発光スペクトル６０９、Ｂ３発光スペクトル６１０の重ね合わせである。それぞれ青発光用フォトニック結晶群５０５を構成するＢ１発光用５０６、Ｂ２発光用５０７、Ｂ３発光用５０８の発光スペクトル特性である。発光ピーク波長はそれぞれ、Ｂ１＝４４０ｎｍ、Ｂ２＝４６０ｎｍ，Ｂ３＝４８０ｎｍとし、半値全幅は全て２０ｎｍとする。青矩形スペクトル６０６の半値全幅は６０ｎｍとなる。
【００４２】
図７Ａ、図７Ｂにそれぞれ、本実施例で想定しているスペクトル特性、色域の計算結果を示す。図７Ａおよび図７Ｂは、従来技術との比較用の参考データとして、正規分布スペクトルでの計算結果を含んでいる。図７Ａに、計算に用いたＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の矩形スペクトルおよび正規分布スペクトルの形状を示す。全て半値全幅６０ｎｍの形状となっている。中心波長は、Ｒ（赤）が６２０ｎｍ、Ｇ（緑）が５３０ｎｍ、Ｂ（青）が４６０ｎｍである。色域計算に用いられるＸ、Ｙ、Ｚの等色関数の形状も合わせて示す。なお、図７Ｂの色域計算の結果には、半値全幅が４０ｎｍと８０ｎｍの結果も示しているが、スペクトル特性のグラフは省略する。
【００４３】
図７Ｂに色域の計算結果を示す。本実施例の構成で実現できる赤、緑、青が全て半値全幅６０ｎｍの矩形スペクトルとした場合の色域結果が、“矩形  半値幅６０ｎｍ”としてプロットされている。そして従来技術との比較のために、矩形スペクトルの代わりに正規分布スペクトルとした場合の色域結果が“正規分布  半値幅６０ｎｍ”としてプロットされている。両者を比較すると、矩形スペクトルの方が大きな領域を占めており、色域が広い結果となっている。
【００４４】
さらに図７Ｂには、色域結果のスペクトル半値全幅の依存性を確認するために、半値全幅４０ｎｍと８０ｎｍの場合での計算結果が合わせて示される。赤、緑、青が全て矩形スペクトルで、半値全幅４０ｎｍとした場合と８０ｎｍとした場合の色域結果が、それぞれ“矩形  半値幅４０ｎｍ”、“矩形  半値幅８０ｎｍ”としてプロットされている。従来技術との比較とのために、赤、緑、青が全て正規分布スペクトルで、半値全幅４０ｎｍとした場合と８０ｎｍとした場合の色域結果が、それぞれ“正規分布  半値幅４０ｎｍ”、“正規分布  半値幅８０ｎｍ”としてプロットされている。
【００４５】
矩形スペクトルと正規分布スペクトルで比較すると、矩形スペクトルの方が、半値全幅が大きくなった場合であっても、色域領域の縮小が抑制されている。半値全幅が大きい方が色覚の個人差は低減されることから、色域を確保したままでスペクトルの半値幅を大きくすることで、表示色域の拡大と色覚の個人差の両立が実現できる。
【００４６】
なお、本実施例で示した発光ピーク波長は一例であり、他の波長値であっても、本実施例の構成は適用可能である。また、フォトニック結晶の発光スペクトル幅を２０ｎｍとして３種類を連接した例を示したが、他の値、他の連接個数の組み合わせであってもよい。また、本実施例では、赤、緑、青全てを、フォトニック結晶群を用いた矩形スペクトルとしたが、少なくともいずれか一つの色の光源に本構成を適用してもよい。以上により、表示装置の光源を、量子ドット含有フォトニック結晶を用いた矩形スペクトルとすることで、色域は確保したままでスペクトルの半値幅を大きくでき、結果として表示色域の拡大と色覚の個人差の両立を実現できることを示した。
【００４７】
＜実施例２＞
実施例１では、エッジ型バックライトの構成を示したが、ＬＥＤ光源を液晶パネルの背面に設置し、ＬＥＤ出力を直接バックライトとして照射する直下型バックライトの方式がある。本実施例では、例えば半導体チップなどで実現される光源と量子ドット含有フォト
ニック結晶群を同一の封止構造内に配置し、一つの発光素子を形成し、発光素子単体で、赤、緑、青の矩形スペクトルをもった出力光を得る構成について説明する。
【００４８】
（発光素子の構成）
図８Ａおよび図８Ｂに本実施例にて説明するバックライト光源用発光素子の構造を示す。図８Ａが発光素子の断面図であり、図８Ｂが発光素子内部のフォトニック結晶群の上面図である。本実施例に係るバックライト光源用発光素子は、ＬＥＤ基板８０１、紫外ＬＥＤ８０１、赤発光用フォトニック結晶群８０３、緑発光用フォトニック結晶群８０４、青発光用フォトニック結晶群８０５、紫外フィルタ８０６、封止材８０７、レンズ８０８を有する。
【００４９】
ＬＥＤ基板８０１は、紫外ＬＥＤ８０２を保持する基板であり、信号配線、電源配線が組み込まれている。紫外ＬＥＤ８０２は励起光用の紫外光を出力する光源であり、本実施例では例えば半導体チップのようなものに相当する。紫外ＬＥＤ８０２は、ＬＥＤ基板８０１と接続されて、制御信号および電源が供給されている。赤発光用フォトニック結晶群８０３、緑発光用フォトニック結晶群８０４、青発光用フォトニック結晶群８０５の詳細については後述する。紫外フィルタ８０６は、青発光用フォトニック結晶群８０５を透過した光から紫外光を除去する。封止材８０７は、本実施例に係る発光素子の内部を、樹脂などを硬化させることにより封止する。レンズ８０８は、出射光の方向とプロファイルを調整する。
【００５０】
本実施例に係る発光素子の詳細を説明する。量子ドットを含む赤発光用フォトニック結晶群８０３、緑発光用フォトニック結晶群８０４、青発光用フォトニック結晶群８０５が、紫外ＬＥＤ８０２の上側に設置されている。フォトニック結晶群内部の量子ドットが紫外の励起光によりバンドギャップエネルギーに応じた光を発し、出射光の波長が少しずつ異なる複数のフォトニック結晶により、矩形スペクトルをもつ光が出力される。フォトニック結晶群は赤、緑、青の矩形スペクトルの光に変換するものが設置されており、それぞれ赤発光用フォトニック結晶群８０３、緑発光用フォトニック結晶群８０４、青発光用フォトニック結晶群８０５に対応する。各フォトニック結晶群の構成は、後述する。
【００５１】
赤、緑、青のフォトニック結晶群のさらにその上部に、紫外フィルタ８０６が設置され、発光に寄与せずに透過した紫外光を除去する。封止材８０７は樹脂などの透明材料であり、紫外ＬＥＤ８０２から紫外フィルタ８０６までの積層構造を封止している。例えば、ＬＥＤ基板８０１、紫外ＬＥＤ８０２、赤、緑、青の各フォトニック結晶群、紫外フィルタ８０６などを樹脂モールド内に設置し、樹脂を充填、硬化させることにより内部を封止した発光素子を実現できる。最後に最上面にレンズ８０８が設けられており、出力する光を所望の方向に出射させ、所望のプロファイルを実現している。
【００５２】
赤、緑、青のフォトニック結晶群について図８Ｂを用いて説明する。図８Ｂは赤、緑、青のフォトニック結晶群を上面から見た図であり、赤発光用フォトニック結晶群８０３、緑発光用フォトニック結晶群８０４、青発光用フォトニック結晶群８０５が順に積層されている。これらの内部構造は、実施例１の図５Ａ、図５Ｂを用いて説明した構成と同等である。赤発光用フォトニック結晶群８０３には赤発光用量子ドットが含まれており、実施例１の図４Ａ、図４Ｂで説明したものと同様の、発光ピーク波長がＲ１、Ｒ２、Ｒ３のフォトニック結晶が連接されている。各フォトニック結晶は、それぞれＲ１発光用４０３、Ｒ２発光用４０４、Ｒ３発光用４０５として図示される。
【００５３】
同様に、緑発光用フォトニック結晶群８０４、青発光用フォトニック結晶群８０５も、それぞれ緑、青の発光用の量子ドットを含んだ３種類のフォトニック結晶を連接した構造を有する。より具体的には、実施例１の図５Ａで説明したものと同様、緑の３種類の発光
ピーク波長をＧ１、Ｇ２、Ｇ３とすれば、緑発光用フォトニック結晶群８０４はＧ１発光用、Ｇ２発光用、Ｇ３発光用の３種類のフォトニック結晶がそれぞれ連接されている。同様に、青の３種類の発光ピーク波長をＢ１、Ｂ２、Ｂ３とすれば、青発光用フォトニック結晶群８０５はＢ１発光用、Ｂ２発光用、Ｂ３発光用の３種類のフォトニック結晶がそれぞれ連接されている。これらのフォトニック結晶は、Ｇ１発光用５０２、Ｇ２発光用５０３、Ｇ３発光用５０４、Ｂ１発光用５０６、Ｂ２発光用５０７、Ｂ３発光用５０８として図８Ｂに図示される。以上に示した構造により、本実施例に係る発光素子から発光されるスペクトル特性は、図６に示す結果と同等となる。
【００５４】
図８Ａおよび図８Ｂでは、赤、緑、青のフォトニック結晶群を積層する構造を示したが、全て一平面上に並べて配置してもよい。図９に平面上に配置したフォトニック結晶群の構成図を示す。なお、図９に示す各フォトニック結晶の形状、配置は一例であり、これに限定されない。例えば、フォトニック結晶の変換効率に応じて、形状や配置を調整しても構わない。以上により、発光素子単体で、赤、緑、青の矩形スペクトルを得るデバイスの構造、方法を示した。この発光素子を直下型バックライトに光源として用いることで、表示色域の拡大と色覚の個人差の低減を両立した表示装置が実現できる。また、本実施例に係る発光素子を実施例１の光源に適用してもよい。この方法によれば、フォトニック結晶群の配置に用いるスペースを省略できる。
【００５５】
なお、実施例１、２はあくまで一例であり、本発明の要旨の範囲内で実施例１、２の構成を適宜変形したり変更したりすることにより得られる構成も、本発明に含まれる。実施例１、２の構成を適宜組み合わせて得られる構成も、本発明に含まれる。
例えば、本実施例ではフォトニック結晶群により変換される色を赤、青、緑の３色としたが、これら以外の色に変換されてもよい。この場合、複数のフォトニック結晶群が積層されるとすると、変換後の光の波長が長いフォトニック結晶群ほど、光源の近くに配置される。これによって各変換光は励起光のみから変換され、制御が容易になる。
【符号の説明】
【００５６】
４０１：紫外ＬＥＤ    ４０２：赤発光用フォトニック結晶群    ８０２：紫外ＬＥＤ  
８０３：赤発光用フォトニック結晶群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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