(57)【要約】【課題】フォトニック結晶等の微粒子堆積層上に保護膜等の材料を塗布した場合に、この材料が微粒子間の隙間に入り込むことを抑制して、反射特性等の光学特性に影響を及ぼすことなしに、曲げ応力や引っ張り応力等に対する機械的強度を十分にし、微粒子堆積層の剥れや割れも少なくできる構造を提供すること。【解決手段】基材として、可視光を吸収する可視光吸収体１を用い、この上に、赤色光反射用の微粒子層２として粒子径２９０ｎｍのシリカ微粒子を積層し、緑色光反射用の微粒子層３として粒子径２４０ｎｍのシリカ微粒子を積層し、青色光反射用の微粒子層４として粒子径２１０ｎｍのシリカ微粒子を積層し、更にこの上に、微粒子間の隙間よりもサイズの大きい高分子からなる高分子層６０又はゼラチン層７０が設けられている微粒子構造体、及びこの高分子層６０又はゼラチン層７０上に拡散フィルム７を有する反射型スクリーン等の光学媒体。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子が配列して堆積した微粒子堆積層の上に、前記微粒子間の隙間よりもサイズの大きい分子からなる層が設けられている微粒子構造体。
【請求項２】
前記微粒子が規則的に配列してなるフォトニック結晶層の上に、前記微粒子間の隙間よりも長い又は大きい高分子物質が塗布されている、請求項１に記載した微粒子構造体。
【請求項３】
大きさの揃った前記微粒子が規則的に配列して前記フォトニック結晶層が形成されている、請求項２に記載した微粒子構造体。
【請求項４】
前記微粒子の半径をＲとした場合、前記隙間のサイズが
【数１】
2004233408.tif 000005
とされている、請求項１に記載した微粒子構造体。
【請求項５】
前記微粒子の半径をＲとした場合、前記隙間のサイズが２Ｒとされている、請求項１に記載した微粒子構造体。
【請求項６】
前記高分子物質が鎖状高分子、線状高分子、又はヘリックス等の螺旋構造からなり、前記長さ又は大きさが前記高分子物質の長手方向における長さである、請求項２に記載した微粒子構造体。
【請求項７】
前記高分子物質が鎖状高分子、線状高分子、又はヘリックス等の螺旋構造からなり、前記長さ又は大きさが前記高分子物質の短い方向における長さである、請求項２に記載した微粒子構造体。
【請求項８】
前記高分子物質がコイル状をなし、前記長さ又は大きさがコイルの長手方向における長さである、請求項２に記載した微粒子構造体。
【請求項９】
前記高分子物質がコイル状をなし、前記長さ又は大きさがコイルの短い方向における長さである、請求項２に記載した微粒子構造体。
【請求項１０】
前記高分子物質が、網状高分子又はゲル状高分子からなり、前記長さ又は大きさが網の広がり方向における大きさである、請求項２に記載した微粒子構造体。
【請求項１１】
前記高分子物質がゼラチンからなる、請求項２に記載した微粒子構造体。
【請求項１２】
微粒子が配列して堆積した微粒子堆積層の上に、前記微粒子間の隙間よりもサイズの大きい分子からなる層が設けられている微粒子構造体を有する光学媒体。
【請求項１３】
前記微粒子構造体が、請求項２〜１１のいずれか１項に記載した微粒子構造体である、請求項１２に記載した光学媒体。
【請求項１４】
前記分子層が、反射型スクリーンの保護膜として設けられている、請求項１２に記載した光学媒体。
【請求項１５】
前記分子層が、反射型スクリーンの光拡散層とフォトニック結晶層としての前記微粒子堆積層との間に設けられ、それらの間に空気層が存在しない、請求項１２に記載した光学媒体。
【請求項１６】
光機能素子として構成された、請求項１２に記載した光学媒体。
【請求項１７】
前記分子層が保護膜として形成されている、請求項１６に記載した光学媒体。
【請求項１８】
前記分子層が導波路として形成されている、請求項１６に記載した光学媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶層として好適な微粒子構造体、及びＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）プロジェクタや液晶プロジェクタ等からの画像の投射に用いて好適な反射型スクリーンとして好適な光学媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プロジェクタから投射される光を反射して画像を表示する反射型スクリーンとしては、可視部波長領域のすべての光を反射又は散乱する、波長特性のない、白地のスクリーンが用いられてきた。白地のスクリーンでは、画像に関係のない光がスクリーンに入射した場合、画像と同様に反射又は散乱される（以下、本明細書では、プロジェクタ等から投射される画像以外の、画像とは無関係にスクリーンに入射する可視光を外部光と呼ぶことにする。）。その結果、この外部光は画像に重なって観察者の目に入り、画像のコントラストを劣化させる。
【０００３】
このため、プロジェクタから白地のスクリーンに画像を投射する場合には、外部光を制限した暗室内で投射するのが一般的である。しかしながら、画像表示が暗室内に限定されることは、スクリーンを用いる表示システムの有用性を著しく損ない、用途を大きく制限する。又、暗室内で投射したとしても、スクリーンからの反射光が暗室内で散乱されてスクリーンに再入射する光、外部から漏れてくる光、及び非常灯など暗室内に残存する光等の外部光の反射によって、画像のコントラストは低下し、画像の暗黒部をスクリーン上で真の暗部として表示することができない。
【０００４】
一方、ＣＲＴプロジェクタや液晶プロジェクタなどには、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色光をスクリーンに投射し、スクリーン上で混色して各種の色を表示するプロジェクタがある。このようなプロジェクタにおいては、用いられる各３原色光のスペクトル半値幅（ＦＷＨＭ）が６０〜１００ｎｍと広いため、表現できる色度図上の色再現範囲が狭くなり、正確な色調を再現することが難しいという問題がある。
【０００５】
【発明に至る経過】
上記の問題点について鋭意検討した結果、本出願人は、先に、特定の可視光を反射する、波長特性をもつスクリーン及びその製造方法並びにそのスクリーンを用いた画像表示システムを提案した（特願２００１−３８０６７０）。即ち、特願２００１−３８０６７０に係る発明（以下、先願発明と称する。）の好ましい実施の形態に基づくスクリーンでは、表面に、可視光のうちの３原色光近傍の狭い波長領域の光のみを選択的に反射する反射層が設けられ、その厚み方向下部に、反射層を透過してきた可視光を吸収する吸収層が設けられている。
【０００６】
上記のスクリーンに画像を表示する場合には、プロジェクタ等から、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色光をスクリーンに投射し、スクリーン上での混色によって種々の色をもつ画像を形成する。これら３原色光は、スクリーンに設けられた反射層によって反射され、観察者の目に届き、画像として知覚される。
【０００７】
一方、外部光には様々な波長の光が含まれていて、その大部分は、反射層が反射できる３原色光近傍の波長領域をはずれた光である。このため、上記のスクリーンに外部光が入射しても、その大部分は反射層によって反射されず、吸収層に吸収されるので、外部光が画像に重なって観察者の目に入ることはほとんどない。この結果、外部光によるコントラストの劣化がわずかになり、画像の暗黒部をスクリーン上に真の暗部として表示することができる。また、照明のある室内や野外など、暗室外でのスクリーン表示も可能になる。
【０００８】
上記のように、スクリーン自体が波長によって光を選別するフィルタとしての作用を示すので、次に記す理由で、画像の色再現性も改善される。即ち、ＣＲＴプロジェクタや液晶プロジェクタから出射される各３原色光のスペクトル半値幅は、上述したように広い。しかし、これらの光が上記のスクリーンに入射すると、３原色光とその近傍の狭い波長領域の光のみが選択的に反射され、これら以外の光はすべて吸収される。この結果、スクリーンから反射される各３原色光は、スペクトル半値幅の狭い、色純度の良い光に改善される。従って、これらの３原色光の混色によって形成される画像の色再現範囲は拡大し、色調もより正確に再現される。
【０００９】
図１２は、先願発明の好ましい実施の形態に基づく反射型スクリーン３０が、画像と外部光とを選別する原理を示す概略断面図である。反射型スクリーン３０には、可視光のうち、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色光近傍の狭い波長領域の光のみを選択的に反射する反射層３２が設けられ、その厚み方向下部に、反射層を透過してきた可視光を吸収する吸収層３１が設けられている。
【００１０】
スクリーン３０に画像を表示する場合には、プロジェクタ等から、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色光がスクリーンに投射され、スクリーン上での混色によって種々の色をもつ画像が形成される。これら３原色光は、反射層３２によって反射され、観察者の目に届き、画像として知覚される。
【００１１】
一方、外部光には様々な波長の光が含まれていて、その大部分は、反射層３２が反射できる３原色光近傍の波長領域をはずれた光である。このため、スクリーン３０に外部光が入射しても、その大部分は反射層３２によって反射されず、吸収層３１に吸収されるので、外部光が画像に重なって観察者の目に入ることは少ない。この結果、外部光によるコントラストの劣化がわずかになり、画像の鮮明さが向上し、画像の暗黒部をスクリーン上に真の暗部として表示することができる。また、照明のある室内や野外など、暗室外でのスクリーン表示も可能になる。
【００１２】
図１３は、特定の波長の光のみを選択的に反射する反射層の構造の具体例を示す概略断面図である。
【００１３】
図１３（ａ）に示す構造は、基材２１上に互いに屈折率ｎが異なる２種類の誘電体材料からなる膜３３及び３４を交互に積層した多層膜からなる誘電体層３５を形成したもので、干渉効果により特定の波長λ０の光のみが選択的に反射される。各層の厚さＬは、それぞれの屈折率ｎ（ｎ１又はｎ２）に対して、
Ｌ＝ｉλ０／４ｎ
である。但し、ｉは正の整数で、ここでは１とする。
【００１４】
図１４は、誘電体層３５の反射スペクトルを有効フレネル係数法で見積もった計算結果の例である。ここでは、一方の誘電体材料の屈折率をｎ１＝１．２、他方の誘電体材料の屈折率をｎ２＝１．８とし、λ０＝５２０ｎｍとし、積層段数ｊとして１〜５までを計算した。図１４から、積層段数ｊが増加するほどλ０での反射率Ｒは増加し、５段に積層すると、反射率Ｒは９０％以上に達することがわかる。但し、λ０での反射率ピークの半値幅は、約２００ｎｍと大きい。
【００１５】
図１３（ｂ）に示す構造は、粒子径を予め選別した球形の微粒子９を基材２１上に配列させ、微粒子からなる層４０を複数段に積層したものである。
【００１６】
図１５に、粒子径が２８０ｎｍのシリカ微粒子層を、後述する形成方法によって、自己組織化的に積層させた膜の反射スペクトルを示す。ただし、反射スペクトルは、白色光を微粒子層の面に垂直に入射させ、面に垂直に反射した反射光のスペクトルを測定している。図１５から、反射率は、波長６２５ｎｍにおいて最大になり、その反射率は５４％と比較的高く、しかも、そのピークの半値幅は約３０ｎｍと狭いことがわかる。
【００１７】
結晶を形成している原子や分子によるＸ線の干渉では、ブラッグの法則が成り立つことが知られている。又、光は、一般に、その波長と同程度の間隔（ピッチ）で繰り返される微粒子の周期的配列構造によって反射を受けやすいことが知られている。そこで、シリカ微粒子層による可視光の反射でも、ブラッグ反射の条件と類似した関係が成り立つとすると、最も反射を受けやすい光の波長λ０と微粒子層の間隔（ピッチ）ｄの間に
ｋλ０＝２ｎ３ｄ
の関係が成り立つ。但し、ここで、ｎ３  は微粒子の構成材料のモード屈折率であり、ｋは正の整数である。
【００１８】
一方、微粒子の配列構造に関して確定されたものはないが、シリカ微粒子のような剛体球の最もありふれた配列構造は、最密充填構造である。最密充填構造には、面内での粒子の配列位置が異なる３つの微粒子層（Ａ層、Ｂ層及びＣ層）が繰り返される立方最密構造と、面内での粒子の配列位置が異なる２つの微粒子層（Ａ層及びＢ層）が繰り返される六方最密構造とがあるが、隣接する２つの微粒子層の間隔（ピッチ）ｄは同じで、微粒子の直径Ｄとの間に
ｄ＝（２×３）１／２  Ｄ／３
の関係がある。
【００１９】
ここで、シリカ微粒子が最密充填構造をとっているものとし、上記の２つの式に、Ｄとしてシリカ微粒子の粒子径２８０ｎｍ、ｎ３としてシリカ微粒子のモード屈折率１．３６を代入して、ｋ＝１とすると、最も反射されやすい波長として、λ０＝６２２ｎｍを得る。これは、実測値λ０＝６２４．５ｎｍとよく一致する。
【００２０】
以上の考察から、自己組織化的に形成された図１３（ｂ）のシリカ微粒子層では、少なくとも部分的に最密充填構造からなる周期的な粒子配列が形成され、これが、６２４．５ｎｍを中心波長とする光の反射の主因になっていると考えられる。
【００２１】
構造はともかく、実用的には、シリカ微粒子が自己組織化的に積層した構造によって、図１５に示されるような、鋭いピークをもち、半値幅の狭い反射スペクトル特性を示す反射層が形成されるという事実が、より重要である。
【００２２】
最密充填構造を単純化したモデル計算では、屈折率１．３６、粒子径２８０ｎｍのシリカ微粒子を用いると、６２５ｎｍ付近に鋭いピークをもつ、半値幅約３０ｎｍの反射層が形成できることが示され、この結果は実験値と良く一致する。この計算では、入射した波長６２５ｎｍの光は、表面から８〜１５層目までしか侵入せず、大部分の光はこの付近までに反射されて進行方向を逆転させること、特に１１層目付近がその境界であることも示される。この結果から、シリカ微粒子を用いて光反射層を形成する場合、１１層程度あれば十分であることがわかる。
【００２３】
以上、赤色光（波長６２５ｎｍ）を反射する層について述べてきたが、緑色及び青色の光を反射する層も同様に形成すればよい。上記の考察から、微粒子によって反射される光の波長と微粒子の直径とは、比例関係にあると考えられるので、反射させたい光の波長に応じて、適切な微粒子の直径を選択すればよい。即ち、緑色光（波長５２５ｎｍ）に対しては粒子径２３５ｎｍのシリカ微粒子を用い、青色光（波長４７５ｎｍ）に対しては粒子径２１２ｎｍのシリカ微粒子を用いればよい。
【００２４】
図１６（ａ）は、以上の結果から導かれた、３原色光のみを反射させる反射型スクリーンの基本構造である。反射層として、赤色光反射用の微粒子層２として粒子径２８０ｎｍのシリカ微粒子を１１層積層し、その上に緑色光反射用の微粒子層３として粒子径２３４．５ｎｍのシリカ微粒子を１１層積層し、更にその上に青色光反射用の微粒子層４として粒子径２１２ｎｍのシリカ微粒子を積層すれば、３原色光のみを反射させてその他の波長の光を透過させる反射層を形成できる。
【００２５】
図１６（ｂ）は、反射層２〜４の積層順を逆転したものである。短波長の光ほど散乱されやすいので、散乱される光を減らすためには、青色光反射層４が最上部にある図１６（ａ）の配置の方が望ましい。しかし、図１６（ａ）の配置では、粒子径の大きい微粒子層の上に粒子径の小さい微粒子層が乗る構造になっているので、下層の粒子配列の影響を受けて上層の粒子配列が乱れやすい。それに対し、図１６（ｂ）では、粒子径の小さい微粒子層の上に粒子径の大きい微粒子層が乗る構造になっているので、比較的、上層の粒子配列が下層の粒子配列の影響を受けにくくなる。従って、規則正しい粒子配列を形成する上では、図１６（ｂ）の配置の方が望ましい。
【００２６】
基材としては、可視光を吸収する可視光吸収体１が用いられる。具体的には、例えばカーボン製の黒い基材が好ましい。可視光吸収体１の厚さが厚くなるほど、機械的強度は強くなるが、フレキシビリティは失われる。機械的強度とフレキシビリティとを両立させるには、厚さは２０μｍ〜５００μｍが好ましく、例えば５０μｍ程度がより好ましい。基材の厚さが５０μｍ程度であると、スクリーンが破れにくく、しかも、フレキシビリティが高くてスクリーンの巻き取りも容易である。また、スクリーンの面積は用途に応じて適宜選ばれる。
【００２７】
上記のように、スクリーン自体が波長によって光を選別するフィルタとしての作用を示すので、スクリーン３０を用いることによって、次に記す理由で、画像の色再現性も改善される。即ち、前述したように、ＣＲＴプロジェクタや液晶プロジェクタから出射される各３原色光のスペクトル半値幅は広い。しかし、これらの光がスクリーン３０に入射すると、３原色光とその近傍の狭い波長領域の光のみが選択的に反射層３２によって反射され、これら以外の光はすべて吸収層３１に吸収される。この結果、スクリーンから反射される各３原色光は、スペクトル半値幅の狭い、色純度の良い光に改善される。従って、これらの３原色光の混色によって形成される画像の色調もより正確に再現されるようになる。
【００２８】
図１７は、先願発明によるスクリーンを用いると、液晶（ＬＣＤ；Ｌｉｑｕｉｄ  ＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）プロジェクタやＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）プロジェクタによって再現される画像の色再現性が改善されることを示す色度図である。
【００２９】
これらのプロジェクタでは、色フィルタを用いて３原色光の波長選択を行っているので、各３原色光のスペクトル半値幅が６０〜１００ｎｍと大きく、色純度が悪いため、白地のスクリーンに投射した場合には、図１７に示すように色再現範囲が限定される。
【００３０】
図１６の先願発明によるスクリーンを用いると、スクリーンで反射された３原色光のスペクトル半値幅は約３０ｎｍに狭まるので、図１７に示すように色再現範囲が拡大する。
【００３１】
上述した如き赤色光反射層等を構成する微粒子層として、微粒子を自己組織化的に集合させて、微粒子が３次元的に規則正しく周期的に配列した微粒子集合体を堆積させるための方法として、種々の方法が報告されている（Ｐ．  Ｊｉａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｃｈｅｍ．  Ｍａｔｅｒ．（１９９９），  １１，  ２１３２、Ｙ．  Ｘｉａ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｄｖ．  Ｍａｔｅｒ．（２０００），  １２（１０），  ６９３）。
【００３２】
その１つに、引き上げ法がある。引き上げ法では、図１８に示すように、例えば微粒子を分散媒に分散させた微粒子分散液１１を分散液槽に入れ、ここに微粒子に対して親和性のよい基材１を垂直に差し込んだ後、この基材を微粒子分散液１１から引き上げていく。この基材の引き上げ時に、適量の微粒子分散液を基材表面に移し取る。その後、移し取られた微粒子分散液から分散媒が蒸発していく過程で、微粒子の自己組織化が起こり、微粒子が規則的に配列した微粒子集合体が基材上に形成される（Ｋ．  Ｎａｇａｙａｍａ，  Ｊ．  Ｓｏｃ．  Ｐｏｗｄｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｊａｐａｎ（１９９５），  ３２，  ４７６、Ｊ．  Ｄ．  Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，  Ｎａｔｕｒｅ（２００１），  ４１４（１５），  ２５７、Ｙｏｎｇ−Ｈｏｎｇ  Ｙｅ  ｅｔａｌ．，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．（２００１），  ７８（１），  ５２）。
【００３３】
他の方法に、自然沈降法がある。自然沈降法では、図１９に示すように、上記の引き上げ法と同様に分散媒１０によって微粒子分散液１１を調製した後、基材１を微粒子分散液の下部に静置する。微粒子９は、自身の重みによって徐々に基材上に沈降し、微粒子が規則的に配列した微粒子集合体が形成される（Ｈ．  Ｍｉｇｕｅｚ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｄｖ．  Ｍａｔｅｒ．（１９９８），  １０（６），  ４８０）。即ち、シリカ微粒子などの球形の微粒子９は、重力による自然沈降又は蒸発による分散媒の減少によって、分散液から徐々に基材１上に堆積する。
【００３４】
さらに別の方法もある。この方法では、微粒子よりも大きなスペーサーを挟んだマイクロセルを、微粒子分散液に垂直に差し込み、静置する。微粒子分散液は、毛管現象によりセル内に充填される。その後、セル内に充填された微粒子分散液から分散媒が蒸発していく過程で、微粒子の自己組織化が起こり、微粒子が規則的に配列した微粒子集合体がセル内に形成される（Ｂ．  Ｇａｔｅｓ，  Ｄ．  Ｑｉｎ，  Ｙ．  Ｘｉａ，
Ａｄｖ．  Ｍａｔｅｒ．  （１９９９），  １１，  ４６６）。
【００３５】
図１２には、上記のようにして形成された微粒子層４０の最上部に光拡散層７として光拡散フィルムが設けられた実用的な反射型スクリーンを示す。光拡散フィルム７は、表面に２次元マイクロレンズアレイが形成されたマイクロレンズフィルム等に置き換えてもよい。
【００３６】
この反射型スクリーンは、上述したように、微粒子を規則的に並べて得られるフォトニック結晶のブラッグ反射を利用することにより、プロジェクタの赤、緑、青の三原色光だけを選択的に反射すると共に、外光を基板側で吸収させて黒を沈ませることができるスクリーンである。このスクリーンには、機械的強度がある程度必要である。例えば巻き取りを考えた場合には、曲げや引張りや圧縮に対して強度を持つ必要があるし、通常使われる範囲において表面を擦ったり、圧力を加えたりしても耐えられるような、ある程度の強度が必要とされる。このような強度を持ったフォトニック結晶を持つことが必要である。
【００３７】
そして、図２０に示すように、場合によっては表面側に拡散フィルム等の光拡散層７を必要とする。この光拡散層７は、指向性を緩和してある程度斜めからでも観賞できるように視野特性を改善したり、あるいはプロジェクタの光源が鏡面反射することにより直接その光源が見えてしまう現象（ホットスポット）を無くしたりするためのものである。
【００３８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の微粒子堆積層は、曲げ応力や引っ張りや圧縮応力などに対する機械的な強度が弱く、剥がれが起きたり、結晶が割れたりするなど、信頼性に問題がある。これを解決すべく、図２１に示すように、微粒子堆積層４０の上に通常の高分子材料を塗布して保護膜６とした場合、６Ａのように高分子が微粒子と微粒子の隙間に多量に入り込むことが多い。フォトニック結晶の場合、このように高分子が隙間に多量に入り込むと、微粒子と空気との間の本来の屈折率差が、微粒子と高分子との間の屈折率差になってしまうために、反射特性や回折特性などの光学特性等に影響を及ぼすことになる。
【００３９】
他方、スクリーンの指向性を無くすなど、視野特性を改善したり、ホットスポットを無くしたりするために、フォトニック結晶層４０の上に拡散フィルム７を貼るが、図２０に示したように、フォトニック結晶４と拡散フィルム７との間に屈折率の低い空気層５０などの層があると、拡散フィルムの裏側で外光の反射が起きるために、黒の沈みが悪くなる。これをＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  ｍｅｔｈｏｄ（時間領域差分法））でシミュレーションした結果を図２２〜図２５に示す。以下、これについて述べる。
【００４０】
図２２のように、拡散フィルム７として直径５μｍのビーズ９がフィルム７に半分だけ埋められている構造をモデルとして、これに５２０ｎｍの波長のパルス光５１をフィルム正面から垂直に入射させる（平面波）。ビーズ９とフィルム７との屈折率はともに１．６にしている。ここで、モニター５２は、ここを通過する光の強度を計算するものである。
【００４１】
この場合の時間経緯を伴った計算結果を図２３及び図２４に示す。図中で、フィルム７を透過した光は球面波となって広がっている様子が判る（拡散性）。また主な反射波は２回現れている。一次の反射波（図２３（ｄ））は、主に粒子表面で光が反射して球面波となって戻ってくる成分である。それに対して、二次の反射波は、フィルムの裏面で反射して戻ってくる成分であるが、粒子のレンズ効果で粒子内では球面波（図２３（ｇ））であるが、外側に出ると平面波（図２３（ｈ）、（ｉ））となって指向性を持った光が戻ってくることになる。
【００４２】
更に、横軸が時間Ｔ×光速ｃ、縦軸がモニター５２の位置で計算された光強度を図２５に示す。この結果から、拡散フィルムで反射される光の強度は、入射波に対して８％程度存在し、そのうち、約６２％が二次の反射波である。従って、仮に拡散フィルムとフォトニック結晶との間を同程度の屈折率のもので埋めることができれば、約３８％まで反射が抑えられることとなる。
【００４３】
このことから、図２６に示すように、フォトニック結晶の上に直接に通常の高分子材料を接着材層６Ｂとして塗布し、これを中間層として更に拡散フィルム７を密着して貼るのがよい。しかしながらこの場合、高分子材料６Ｂがフォトニック結晶中に侵入して、三原色の反射率（ブラッグ反射）が低下するなど、スクリーン特性に悪影響を及ぼすことになる。
【００４４】
なお、ここでは、主に反射型スクリーンについて述べているが、フォトニック結晶を用いた光機能素子全般においても、上記と同様な問題が生じる。特に、保護膜や導波路を形成するために、直接にフォトニック結晶上に高分子材料を塗布する場合においても、同様な問題が生じる。
【００４５】
本発明の目的は、フォトニック結晶等の微粒子堆積層上に保護膜等の材料を塗布等により形成した場合に、この材料が微粒子間の隙間に入り込むことを抑制して、反射特性等の光学特性に影響を及ぼすことなしに、曲げ応力や引っ張り応力等に対する機械的強度を十分にし、微粒子堆積層の剥れや割れも少なくできる構造を提供することにある。
【００４６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、微粒子が配列して堆積した微粒子堆積層の上に、前記微粒子間の隙間よりもサイズの大きい分子からなる層が設けられている微粒子構造体、及びこの微粒子構造体を有する光学媒体に係るものである。
【００４７】
本発明によれば、フォトニック結晶等の前記微粒子堆積層の上に、保護膜等として前記分子層を形成した場合、この層の材料が前記微粒子間の隙間よりも大きなサイズを有しているため、前記微粒子間の隙間に多量に入り込むことない。このため、前記分子層が反射特性等の光学特性に影響を及ぼすことなしに、曲げ応力や引っ張り応力などに対する機械的強度を強くし、前記微粒子堆積層の剥れや割れも少なくすることができる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
本発明の微粒子構造体においては、前記微粒子が規則的に配列してなるフォトニック結晶層の上に、前記微粒子間の隙間よりも長い又は大きい高分子物質が塗布されているのがよい。
【００４９】
この場合、大きさの揃った前記微粒子が規則的に配列して前記フォトニック結晶層が形成されているのがよい。
【００５０】
また、前記微粒子の半径をＲとした場合、前記隙間のサイズが
【数２】
2004233408.tif 000003
又は２Ｒとされているのがよい。
【００５１】
また、前記高分子物質が鎖状高分子、線状高分子、又はヘリックス等の螺旋構造からなり、前記長さ又は大きさが前記高分子物質の長手方向における長さ、又は前記高分子物質の短い方向における長さであってよい。
【００５２】
また、前記高分子物質がコイル状をなし、前記長さ又は大きさがコイルの長手方向における長さ、又はコイルの短い方向における長さであってもよい。
【００５３】
また、前記高分子物質が、網状高分子又はゲル状高分子からなり、前記長さ又は大きさが網の広がり方向における大きさであってよい。
【００５４】
そして、前記高分子物質がゼラチンからなるのが望ましい。
【００５５】
本発明の光学媒体は、前記高分子物質層を設けた微粒子構造体を有するのが望ましいが、前記分子層が反射型スクリーンの保護膜として設けられるのがよい。
【００５６】
また、前記分子層が、反射型スクリーンの光拡散層とフォトニック結晶層としての前記微粒子堆積層との間に設けられ、それらの間に空気層が存在しないのがよい。
【００５７】
本発明を反射型スクリーンに適用した場合、前記高分子物質で直接フォトニック結晶層を覆うことが可能となるので、拡散フィルム等の光拡散層とフォトニック結晶層との間に空気層が入ることがない。この結果、上述した如き拡散フィルム裏面での光の反射が小さくなり、画像に関係のない外部の光がスクリーンに入射したときでも、画像のコントラストが劣化することがなく、黒の沈んだ綺麗な画像を提供できる。このため、必ずしも暗室で投影する必要がなく、通常の蛍光灯の下や屋外でもコントラストが劣化しない。これと同時に、曲げ応力や引っ張り応力などに対する機械的強度が強くなるとともに、微粒子堆積層の剥がれや割れが少なくなり、高い信頼性のスクリーンを提供できる。
【００５８】
また、光学媒体が光機能素子として構成された場合、前記分子層が保護膜として形成されたり、又は導波路として形成されてよい。
【００５９】
このように、本発明をフォトニック結晶の光機能素子に適用した場合、光機能特性をほとんど変化させることなしに、曲げや引っ張りや圧縮などの応力に対する機械的強度を強くでき、或いは、光機能特性をほとんど変化させることなしに、高分子の導波路を形成できる。
【００６０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に説明する。
【００６１】
上述したように、微粒子を規則的に配列させたフォトニック結晶においては、微粒子と微粒子との間に隙間が存在するので、このフォトニック結晶の上に保護膜として高分子材料を塗布した場合、この隙間に材料が多量に入り込むことがある。高分子材料が多量に入り込むと、微粒子間の隙間での屈折率が変化する場合があるために、光学特性に影響を及ぼすことがある。そこで、本発明に基づいて次のような手段によって、隙間への高分子材料の入り込みを少なくするものである。
【００６２】
その一つは、微粒子間の隙間よりもサイズの大きい分子からなる材料を塗布することによって、隙間に入りにくくすることである。図２に示すように。例えば線状にまっすぐ伸びた線状高分子（Ａ）や、鎖状高分子（Ｂ）又はヘリックス等の螺旋構造（Ｃ）の場合、高分子６０の長手方向の長さが微粒子間の隙間の距離より長ければ、十分効果がある。つまり、高分子６０の短い方向における長さが隙間の距離よりも短い場合には、隙間に入り込む高分子もありうることになるが、その確率は低く、かなりの高分子が入り込まないことになる。しかしながら、更に望ましくは、短い方向における長さが微粒子間の隙間の距離よりも長ければ、ほとんどの高分子が隙間に入り込まないことになる。例えば、高分子として長さ３００ｎｍ以下（後記のｆと同等）のポリメチルメタクリレートを用いることができる。
【００６３】
また、図３に示すように高分子６０が絡まった状態（コイル）６１では、コイルの長手方向の直径が微粒子間の隙間の距離より大きければ、効果がある。更に望ましくは、コイル６１の短い方向における直径が微粒子間の隙間の距離よりも長ければ、ほとんどが入らないことになる。ここで上記の「隙間の距離」とは、隙間における最大直線距離又は極大直線距離のことである。
【００６４】
図４（Ａ）は微粒子４の最密構造の一つである面心立方格子を示し、図４（Ｂ）にはその［１００］方向から見たときの微粒子の配列を示す。一般には、微粒子は自己組織化によって最密構造になり、面心立方格子の場合、［１００］方向から見た隙間が最も大きいものとなる。
【００６５】
ここで、微粒子の半径をＲとすると、斜線で示される隙間６２において、隙間の最大距離ｆがｆ＝２Ｒであり、極大距離ｇは
【数３】
2004233408.tif 000004
となる。従って、隙間の距離をｇと定義することにより、高分子６０のサイズｈをｈ＞ｇとすれば、侵入防止効果があり、さらに望ましくは、隙間の距離がｆとし、ｈ＞ｆとすれば、一層優れた侵入防止効果があることになる。
【００６６】
もう一つの最密構造である六方最密構造を図５に示す。この場合でも、面心立方格子の［１００］方向から見たものと同じ配列が［１０００］方向に存在する。その理由は図６に示すように、面心立方格子はＡ面−Ｂ面−Ｃ面−Ａ面−Ｂ面・・・の配列であるが、最密六方格子はＡ面−Ｂ面−Ａ面−Ｂ面・・・の配列であり、よく類似しているからである。従って、微粒子間の隙間に対する高分子のサイズは、上記した面心立方格子と同じ条件でよいことになる。
【００６７】
ところで、必ずしも上記のように高分子が鎖状や線状、ヘリックス等の螺旋又はコイルである必要はなく、たとえば寒天やゼラチンのような網目状でもよいし、ゲルとなっていてもよい。この場合、網目の広がり方向の大きさが微粒子間の隙間の距離よりも大きければ、効果がある。
【００６８】
次に、フォトニック結晶をフロントプロジェクション用の反射型スクリーンに適用した場合について述べるが、具体的な構造を図１に示す。
【００６９】
スクリーンの特有な問題として、拡散フィルム７の裏面での光反射が挙げられるが、これは、図２０において述べたように、拡散フィルム７とフォトニック結晶４０との間の空気層が原因である。即ち、拡散フィルム７（ｎ＝１．５〜１．８）と空気（ｎ＝１．０）との屈折率差が大きいために、光の反射が拡散フィルム裏面で生じるのである。この問題は、図１に示すように、この空気層を拡散フィルム７と同程度の別の材料６０で埋めることにより、解決される。
【００７０】
例えば、図１（Ａ）に示すように、図２及び図３等に示した高分子からなる高分子層６０でこの空気層を埋めることにより、光の透過を良くすることができる。このような構造にすれば、光が拡散フィルム７の裏面でほとんど反射されることなく、効率良くフォトニック結晶層に入射するので、プロジェクタの三原色光だけを選択的に反射して、それ以外の光を良く吸収するので、黒が更に沈んで、明るいところでも高いコントラストの画像が得られる。また、高分子層６０は、フォトニック結晶層の保護膜となって、微粒子層４０又は微粒子そのものの剥がれが少なくなるとともに、曲げ応力や引っ張り応力や圧縮応力などに対する機械的な強度も高くなり、高い信頼性が得られる。
【００７１】
また、図１（Ｂ）に示すように、高分子層６０と同等若しくはそれ以上の、例えばサイズ１ｍｍ以下の分子サイズを有するゼラチン層７０を設けることによって、一層の侵入防止効果を得ることができる。
【００７２】
なお、図１中、ポリエチレンテレフタレート等の基板６３上には、図２０に示したと同様に可視光吸収体１、及び赤色光反射層２、緑色光反射層３及び青色光反射層４からなる微粒子層４０が積層されている。
【００７３】
そして、本発明に基づいて形成される高分子層６０は、アクリル系樹脂をはじめ、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ゼラチン等のように、図２〜図５に示した上記の条件を満たす各種高分子材料の塗布等によって形成することができる。また、光拡散層としての拡散フィルム７は、例えば光拡散性のあるポリエチレンフィルム（作製上、面内に屈折率分布を持つ。）や、光を拡散することができるように表面に凹凸加工したポリカーボネートフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム等があげられる。この光拡散フィルムの厚さは、通常は５ｍｍ以下、望ましくは１ｍｍ以下とする。
【００７４】
更に、光学特性をよくするために、この拡散フィルムの表面に、反射防止のための１／４波長コーティングを行ってもよい。この場合、フィルム材の屈折率より低い屈折率の材料でコーティングする必要がある。具体的には、例えば１００ｎｍの厚さのＳｉＯ２ガラス膜を塗布や蒸着法でコーティングする。
【００７５】
光拡散層７を設けるには、例えば基材である可視光吸収体１の上に反射層２〜４を形成した後に、青色光反射層４の表面に高分子層６０又はゼラチン層７０を塗布により形成した後、張力を加えながら拡散フィルム等を青色光反射層４の表面に押しあてて接着する。又は、拡散フィルム等の裏面に予め高分子層６０又はゼラチン層７０を塗布しておき、張力を加えながら拡散フィルム等を青色光反射層４の表面に押しあてて接着してもよい。
【００７６】
なお、光拡散層７としては、拡散フィルムにかえて、表面に２次元マイクロレンズアレイが形成されたマイクロレンズフィルム等を用いてもよい。
【００７７】
次に、本発明に基づいて、高分子層６０を光機能素子の保護膜又は導波路として形成する例を説明する。
【００７８】
図７に示すように、フォトニック結晶からなる光機能素子に保護膜６０を形成する場合、微粒子９と微粒子９との間の隙間に高分子材料が入り込むことが少ないので、光機能特性をほとんど変化させることなく、曲げや引っ張りや圧縮などの応力に対する機械的強度を強くできる。
【００７９】
また、図８に示すように、高分子の導波路６０をフォトニック結晶９からなる光機能素子の上に形成する場合でも、同様である。この場合、まずフォトニック結晶の上に上述した条件を満たす高分子材料を塗布して乾燥させた後に、たとえばフォトレジストを用いて、所定部分だけをストライプ状に残し、他の高分子膜を化学的なエッチャントで除去する方法や、ドライエッチングで除去する方法で形成できる。
【００８０】
なお、この導波路６０は、例えばレーザ光を導波することができ、微粒子層内にはレーザ励起媒体を含有させることによりレーザ漏れ光をエバネセントフィールドで励起して、レーザ発振させたり、或いは屈折率変化で光スイッチ素子として動作させることが可能である。
【００８１】
以上に述べたことから、本発明に基づいて、フォトニック結晶の上に保護膜として高分子材料を塗布した場合、この材料がフォトニック結晶の隙間に多量に入り込むことないので、反射特性等の光学特性に影響を及ぼさない。また、この保護膜を付けることによって、曲げ応力や引っ張り応力などに対する機械的強度が強くなるとともに、微粒子層の剥がれや割れも少なくなる。
【００８２】
そして、この構造を反射型スクリーンに適用した場合、高分子材料で直接フォトニック結晶層を覆うことが可能となるので、拡散フィルムとフォトニック結晶層との間に空気層が存在せず、この結果、拡散フィルム裏面での光の反射が小さくなり、画像に関係ない外部の光がスクリーンに入射したときでも、画像のコントラストが劣化することがなく、黒の沈んだ綺麗な画像を提供できる。従って、必ずしも暗室で投影する必要がなく、通常の蛍光灯の下や屋外でもコントラストが劣化しない。これと同時に、曲げ応力や引っ張り応力などに対する機械的強度が強くなるとともに、微粒子層の剥がれや割れも少なくなり、高い信頼性のスクリーンを提供できる。
【００８３】
また、この構造をフォトニック結晶の光機能素子に適用した場合、光機能特性をほとんど変化させることなく、曲げや引っ張りや圧縮などの応力に対する機械的強度を強くできる。或いは、光機能特性をほとんど変化させることなく、高分子の導波路を形成できる。
【００８４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００８５】
反射型スクリーン
直径２４０ｎｍの大きさの揃った緑色光反射用のシリカ微粒子が分散された水溶液（シリカ２０重量％）を調製し、これをディッピング法でポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板の上に塗布した後に、よく乾燥させることにより、１〜２μｍの厚みの微粒子層を堆積させた。この場合、微粒子が自己組織化で規則的に配列することによって、フォトニック結晶が形成された。このサンプルの反射スペクトルを測定すると、５４０ｎｍ付近に反射ピークを持つことが判った。
【００８６】
次に、分子量が大きく（分子量約１０万以上）、網目構造を持ったゼラチンを用意して保護膜として使った。市販のゼラチン５ｇを１００ｍｌの水に溶かした溶液を調製し、上記のフォトニック結晶サンプルの表面にディッピング法で塗布し、よく乾燥させた。このゼラチンは、１ｍｍ以下の分子サイズを有していた。ゼラチンを塗布する前後において、反射スペクトルを測定して、ゼラチン塗布の影響を調べた。その結果を図９に示す。
【００８７】
この結果から、わずかに２．５ｎｍほど長波長化が見られるが、ゼラチン塗布前後で、ほとんど反射スペクトルに差がないのが判った。また、曲げや引っ張りや圧縮応力などに対する機械的強度が強くなり、フォトニック結晶層が剥がれにくくなったことも確認できた。
【００８８】
次に、この構造を用いて、フルカラーの反射型スクリーンの作製を行った。まず、プロジェクタの三原色光を反射させるための各フォトニック結晶層を赤、緑、青色の順番に、黒いＰＥＴ基板の上にディッピング法で堆積させた。それぞれのシリカ微粒子の直径は２９０ｎｍ、２４０ｎｍ、２１０ｎｍであった。この場合、ＰＥＴ基板の表面は予めサンドマット加工してラフネスをもたせて、濡れ性を良くしておいた。更に、青色光反射層の上に、ディッピング法で上記のゼラチンを塗布し、よく乾燥させた。ゼラチンを塗布する前後において反射スペクトルを測定して、ゼラチン塗布の影響を調べた。その結果を図１０に示す。
【００８９】
この結果から、ゼラチン塗布前後でほとんど反射スペクトルに差がないのが判った。また、曲げや引っ張りや圧縮応力などに対する機械的強度が強くなり、微粒子層が剥がれにくくなったことも確認できた。
【００９０】
次に、このサンプルの上に拡散フィルムを貼り、図１（Ｂ）に示した構造を作製した。この構造のスクリーンにプロジェクタによって画像を投影した結果、拡散フィルム裏面での光反射が抑えられるので、画像に関係ない外部の光がスクリーンに入射したときでも、画像のコントラストが劣化することがなく、また黒の沈んだ綺麗な画像を提供できることが判った。また、通常の蛍光灯の下や屋外でもコントラストの劣化が小さいことも確認できた。
【００９１】
光機能素子
直径２９０ｎｍの大きさの揃ったシリカ微粒子が分散された水溶液（シリカ２０重量％）を調製し、これを容器に入れて乾燥させることにより、シリカ微粒子を沈降堆積させ、フォトニック結晶を作製した。この結晶の上に、入射方向を変えて光を入射させると、ブラッグ波長が変化したり（分光機能）、フォトニックバンドのギャップエネルギーが変化するなど、光機能特性を持つ素子となった。
【００９２】
この素子の上に、ゼラチンを用いて導波路を形成した。図１１に示すように、まずゼラチン５ｇを１００ｍｌの水に溶かした溶液を調製して上記の光機能素子の表面にディッピング法で塗布し、よく乾燥させた後、フォトレジストをスピンコーティング法で塗布して乾燥し、マスクアライナーと露光、現像によりストライプ状にフォトレジストを残した。次いで、７０℃の水によって、ゼラチン層のうち、フォトレジストが存在しない箇所だけを選択的に溶かして除去した。最後に、フォトレジストをアルコール系で溶かして除去した。
【００９３】
このように、ゼラチンからなる導波路をフォトニック結晶の光機能素子の上に作製することにより、導波路の中に光を入れて分光したり、ブラッグ回折を起こした。これによって、誘導放出などを起こして、光増幅などの新しい光機能を生むことが可能となった。
【００９４】
以上に述べた実施の形態及び実施例は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形可能である。
【００９５】
【発明の作用効果】
本発明は、上述したように、フォトニック結晶等の微粒子堆積層の上に、保護膜等の層を形成した場合、この層の材料が前記微粒子間の隙間よりも大きなサイズを有しているため、微粒子間の隙間に多量に入り込むことない。このため、前記層が反射特性等の光学特性に影響を及ぼすことなしに、曲げ応力や引っ張り応力などに対する機械的強度を強くし、微粒子堆積層の剥れや割れも少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による反射型スクリーンの要部拡大概略断面図である。
【図２】同、拡散フィルムの接着に用いる高分子の模式図である。
【図３】同、他の高分子の模式図である。
【図４】同、微粒子層の組織を示す模式図である。
【図５】同、他の微粒子層の組織を示す模式図である。
【図６】同、微粒子層の積層状態を示す模式図である。
【図７】同、光機能素子の要部拡大断面図である。
【図８】同、他の光機能素子の要部拡大断面図と斜視図である。
【図９】本発明の実施例による反射型スクリーンの反射スペクトル図である。
【図１０】本発明の実施例によるフルカラースクリーンの反射スペクトル図である。
【図１１】本発明の実施例による光機能素子の作製フロー図である。
【図１２】先願発明の好ましい実施の形態による反射型スクリーンが、画像と外部光とを選別する原理を示す概略断面図である。
【図１３】同、特定の波長の光を選択的に反射する反射層の構造の具体例を示す概略断面図である。
【図１４】同、誘電体層の反射スペクトルを有効フレネル係数法で見積もった計算結果の例である。
【図１５】同、粒子径が２８０ｎｍのシリカ微粒子層を、自己組織化的に積層させた膜の反射スペクトルである。
【図１６】同、３原色光のみを反射させる反射型スクリーンの基本構造の要部拡大概略断面図である。
【図１７】同、反射型スクリーンによって色再現範囲が改善されることを示す色度図である。
【図１８】同、微粒子層の形成方法を示すフロー図である。
【図１９】同、他の微粒子層の形成方法を示す拡大概略断面図である。
【図２０】反射型スクリーンの要部拡大概略断面図である。
【図２１】他の反射型スクリーンの要部拡大概略断面図である。
【図２２】反射測定用のモデルの概略図である。
【図２３】同、反射測定時の反射光をモニターしたときの光強度分布を時間と共に示す光強度分布図である。
【図２４】同、反射測定時の反射光をモニターしたときの光強度分布を時間と共に示す光強度分布図である。
【図２５】同、モニター位置での光強度スペクトル図である。
【図２６】更に他の反射型スクリーンの要部拡大概略断面図である。
【符号の説明】
１…可視光吸収体（基材）、２…赤色光反射用の微粒子層、
３…緑色光反射用の微粒子層、４…青色光反射用の微粒子層、６…保護膜、
７…光拡散層（拡散フィルム）、９…微粒子、１０…分散媒、
１１…微粒子分散液、１２…分散液槽、４０…微粒子層、
５０…空気層、６０…高分子層又は高分子、６１…コイル、７０…ゼラチン層
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2004233408.tif 000022
【図１８】
2004233408.tif 000023
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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