(57)【要約】【課題】大画面薄型表示装置を、導波路を用いることで実現する際、導波路への入射結合ロスや画像歪みが問題となる。これらは、補正用ミラーを用いることで回避できるが、ミラーの精密加工が必要であり、装置全体の重量が大きくなる。【解決手段】光源５からの光を画像形成素子４により画像光とし、光導波路７に入射して、光導波路７の出射端で画像を形成する。光導波路７の入射端を画像光の進行方向に対して垂直になるように面を形成することで、入射結合ロスを少なくでき、さらに、画像補正光学系が不要となり、大画面薄型表示装置を実現できる。【選択図】図１
2006133452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光源からの光から画像を形成し投射する画像形成素子と、投射された画像光を伝搬させ拡大出射させる光導波路とからなる表示装置において、
前記光導波路の入射面が、画像光の入射方向に対して垂直である表示装置。
【請求項２】
前記光導波路が、表示装置の各画素に対応する位置に出射端が形成された光導波路の集合体である請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記光導波路集合体の入射端において、前記入射端面内で、各光導波路が、予め決められたピッチで並べられた請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
前記光導波路集合体の入射面が放物状である請求項１に記載の表示装置。
【請求項５】
前記光導波路集合体の入射端の少なくとも一部に屈折率分布を有する請求項１に記載の表示装置。
【請求項６】
前記画像形成素子が、電界若しくは磁界の少なくとも一方で可動するマイクロミラーの集合体からなり、前記光源からの光を前記マイクロミラーで反射させることで画像光を前記光導波路集合体に入射させる請求項１に記載の表示装置。
【請求項７】
前記画像形成素子が透過型液晶パネルである請求項１に記載の表示装置。
【請求項８】
前記画像形成素子が反射型液晶パネルである請求項１に記載の表示装置。
【請求項９】
前記画像形成素子が、光源の光を集光する集光レンズと、集光された光を反射させ、光導波路集合体入射面内をスキャンするスキャン機構とを有する請求項１に記載の表示装置。
【請求項１０】
多数の光信号を出射する光出射源と、入射端から入射した前記光信号を伝搬させ、入射端と配置が異なる出射端へ出射させる導波路集合体とを有する光信号伝達素子において、
前記導波路集合体を形成する各導波路の入射面が、光信号光の入射方向に対して垂直である光信号伝達素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
導波路の入射端と出射端での拡大原理を利用した表示装置において、軽量化、低コスト化が可能な表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）やプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、リアプロジェクションテレビ（ＲＰＴＶ）に代表されるように、業務用のみならず、一般的な家庭においてもディスプレイの画面サイズの大型化が見られるようになってきた。また、室内空間を有効に利用するため、特に日本国内ではＬＣＤやＰＤＰといった薄型テレビの需要が高い。しかし、ＬＣＤやＰＤＰでは、さらなる画面サイズの大型化による高価格化が顕著である。また、ガラス基板を使用するため、重量の問題も考慮しなければならない。
【０００３】
一方、ＲＰＴＶは、画面サイズに関わらず大きな対策を必要としない投射光学系を用いているので大型化が比較的容易であり、したがって製造コストを低く抑えることができるといった利点がある。しかし、その反面、スクリーンへの拡大投射光学系の必要性から、奥行きをある程度までしか薄く出来ず、ＬＣＤやＰＤＰ以上の薄型化が見込めないといった欠点がある。
【０００４】
現状のディスプレイ技術に対して、導波路を用いた大画面薄型の方式が特許文献１や非特許文献１などに提案されている。
【０００５】
特許文献１によれば、画素数に対応するファイバ束を用い、入射端ではファイバを収束させ、出射端ではファイバを画素ピッチに対応する分だけ離して配置する構造を述べている。そして、出射端面を斜めに切断することにより、出射面面積を大きくして拡大するという構造である。また、非特許文献１によれば、入射端ではファイバ束を収束させ、出射端ではファイバを一本一本画素ピッチだけ離して設置するという構造となっている。しかし、これらの構造では、光ファイバの直径が太く、光ファイバ束を画素数分用いなければならないため重量が非常に重い、といった問題がある。
【０００６】
また、光ファイバのファイバ内光導波原理を利用し、薄型軽量としたシート状のディスプレイが特許文献２などに提案されている。
【０００７】
すなわち、特許文献２とは、平面状導波路を積層し、表示装置下部に位置する導波路の一端に画像光を入射させ、入射光を導波路に沿って伝搬させた後、導波路他端より画像光を観察者側に再指向させ、同時に画像を拡大表示するといった特徴を持つ表示装置である。
【０００８】
以上に述べたように、薄型構造の可能な大型ディスプレイの１つの有効な手段として、導波路の一端は小さく、他端では導波路を斜めに切断することで、画像を拡大するという原理が用いられ、導波路入射端に光を入射する際には光導波が確実に行われるためにも入射光学系が重要となる。
【特許文献１】特開昭５９−１３９０８２号公報
【特許文献２】米国特許第６００２８２６号明細書
【非特許文献１】志方  正一、「光ファイバーを使ったディスプレイ装置の原理と特徴」、月刊ディスプレイ、‘００  ７月号  ｐｐ６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のようにファイバの一端を束ねて入射端とするとき、それぞれの画素に対応する画像光を、光ファイバ入射端にずれなく入射させなければならない。ファイバ束入射面全面に一括して画像光を入射させる場合には、入射端への入射光学系が必要となる。つまり、ファイバ束入射面に対して、ファイバの開口数ＮＡよりも小さな角度で入射させなければならず、ファイバ束入射面と同等の面積を持つ光学系（ミラーあるいはレンズ）が必須となるため、画面サイズの大型化に伴って、表示装置自体も大型化してしまう。
【００１０】
また、特許文献１のようには入射端を束ねない、図７に示す特許文献２のように、横長の平面状導波路をファイバを用いて積層する場合には、横方向への光導波進行の制限がない。そのため、図７（ｂ）に示すように、導波路積層体１３の入射面１４に対して垂直に画像光１５を入射させなければならない。また、図７（ｃ）のように、導波路積層体１３の奥行き方向へは、導波路の開口数ＮＡよりも小さくなるように角度θの範囲で入射することで、導波路内を全反射伝搬させることが可能である。しかし、入射面１４に対して入射光を垂直に入れないと、界面反射による導波路との結合効率が低下するなどの問題が生じてしまう。そのため、投射光学系には、図７（ａ）に示す第１のミラー１６、第２のミラー１７のような非球面ミラーを数枚組み合わせた補正光学系１２を用いる方が良いが、画面サイズの大型化に伴い、非球面ミラーも大型となり、その製造精度やコスト、ミラーの重量が問題となる。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、光導波路入射端部の形状を変えることによって、画像光をリードする補正光学系を設けることなく、薄型軽量で低コストの表示素子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】
【００１２】
本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【００１３】
すなわち、光源と、光源からの光から画像を形成し投射する画像形成素子と、投射された画像光を伝搬させ拡大出射させる光導波路とからなる表示装置において、前記光導波路の入射面が、画像光の入射方向に対して垂直であることを特徴とすることを要旨とするものである。
【００１４】
また、特に本発明の表示装置は、光導波路が、表示装置の各画素に対応する位置に出射端が形成された光導波路の集合体であることを特徴とするものである。
【００１５】
また、具体的には、光導波路集合体の入射端において、導波路集合体の入射端面内で、各光導波路が、予め決められたピッチで並べられたことを特徴とするものである。
【００１６】
また、具体的には、光導波路集合体の入射面が放物状であることを特徴とするものである。
【００１７】
また、前記光導波路集合体の入射端の少なくとも一部に屈折率分布を有することを特徴としている。
【００１８】
本発明の表示装置に用いられる画像形成素子は、具体的には、電界若しくは磁界の少なくとも一方で可動するマイクロミラーの集合体からなり、光源からの光をマイクロミラーで反射させることで、画像光を光導波路集合体に入射させることを特徴としている。
【００１９】
また、画像形成素子が、具体的には、透過型液晶パネルであることを特徴とするものである。
【００２０】
また、画像形成素子の他の具体的なものとして、反射型液晶パネルであることを特徴とするものである。
【００２１】
また、他の具体的なものとして、画像形成素子が、光源の光を集光する集光レンズと、集光された光を反射させ、光導波路集合体入射面内をスキャンするスキャン機構とを有することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明に記載の入射端形状を利用することにより、他への応用も可能となる。すなわち、多数の光信号を出射する光出射源と、入射端から入射した光信号を伝搬させ、入射端と配置が異なる出射端へ出射させる導波路集合体とを有する光信号伝達素子において、導波路集合体を形成する各導波路の入射面が、光信号光の入射方向に対して垂直であることを特徴としている。
【００２３】
なお、以上に述べた各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明の表示装置では、入射光に対して垂直となるように光導波路の入射面が形成されることで、光導波路への光結合効率が良く、また、画像歪を抑制するための反射ミラーを必要としないため、軽量かつ安価な表示装置を形成することが可能な表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による表示装置を示す（ａ）斜方概念図、及び（ｂ）側面概念図である。
【００２７】
表示装置１は、光源５と、画像形成光学系６と、光導波路７とからなっている。画像形成光学系６は、光源５からの光を画像光に変換するための画像形成素子４と、画像光の結像のためのレンズ３とで構成されている。また、光導波路７は、画像形成光学系６からの画像光を拡大出射させるためのものである。なお、光導波路７は、光源５からの光を通すものであれば、特に材料は限定しない。例えば、可視光を発生する光源であれば、通常の光ファイバなどに用いられる材料でもよく、また、ＰＭＭＡなどの高分子で作製されたものでも構わない。
【００２８】
本発明では、光導波路７の入射端面が単一平面ではなく、図１（ａ）、（ｂ）のように入射面が放物状になっており、光進行方向（光入射方向）が入射面の法線方向になっているのが特徴である。
【００２９】
次に、光導波路７への光の入射と光導波路７内の光の伝搬について説明する。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、光源５からの光は、光源内部のリフレクタ、若しくは平行光を出射する光源により平行光として出射される。この光は画像形成素子４に入射し、光導波路７側に選択的に光を伝達させる。画像光を光導波路７の大きさに合わせるためにレンズ３を用いる。レンズ３を通過した光線ＧＷは光導波路７の入射面で結像する。光導波路７に入った光は、光導波路７内を全反射を繰り返して、出射端、すなわち表示画素に向かって伝搬していく。
【００３１】
光線ＧＷは、レンズ３のどこを通過するかにより光線ＧＷ１と光線ＧＷ２に大きく分けられる。つまり、図２に示すように、レンズ３で屈折した光は、レンズ３の中心を通過する光線ＧＷ２と、端部を通過する光線ＧＷ１とで、光の進行方向が異なる。図３には、光導波路７の端面がまっすぐな平面の入射面Ｚであった場合と、入射光に対して垂直な入射面Ｙであった場合の光導波路７の形状を描いている。
【００３２】
平面な入射面Ｚの場合、レンズ３の端部を通過する光は、レンズの開口数ＮＡに対応した角度Ａで光導波路７に入射する。通常、入射面Ｚに対して光が垂直に入射した時、４％程度の界面結合ロスを生じることが知られている。入射面Ｚに対して角度Ａで入射した場合には、入射結合ロスがさらに大きくなることが予想される。したがって、レンズ３の中央を導波路長軸方向Ｗ（導波路内光進行方向）と平行に通過した光は９６％の結合効率であるのに対し、レンズ３の端面を通過する光は角度Ａで光導波路７に入射するため、表示装置中心部と端部において明るさにムラを生じさせることになる。
【００３３】
従来の技術でも述べたように、もう一枚の曲面反射ミラーを用いて、平面な入射面Ｚに対して入射光が垂直となるようにする方法も提案されているが、反射ミラーの大きさを大きくする等の曲面精度が必要である（図７参照）。
【００３４】
本発明では、それに対し、入射光に対して垂直な入射面Ｙを形成することによって、反射ミラーを形成することが不要となる。例えば、レンズ３の端部に入射し、屈折した光が入射面に角度Ａで入射する場合には、角度Ａの傾斜を入射面に作ることで、光導波路７の端部においても結合ロスを４％程度に抑えることができ、表示装置全面での明るさを均一にすることが可能となる。
【００３５】
入射面を放物状に形成するには、作製する放物状曲面の曲率半径よりも小さな半径を有する球状材料を高速回転させて、光導波路７を削っていくことで実現される。光導波路７がポリマーであれば、それを削ることのできる上記の球状材料であれば何でも良い。入射面を放物状に削った後、最終研磨を行うことで、入射結合ロスを最小に抑えることができる。入射面の曲率半径はレンズの開口数ＮＡと、焦点位置とからの計算により求めることができる。
【００３６】
光導波路７は、画像光を伝搬して出射端において拡大する機能を有するが、例えば図１のように、光導波路７は薄膜状導波路２が複数集まった光導波路集合体であっても良い。
【００３７】
このように、画素に対応するように光導波路を分割した場合には、それぞれの光導波路伝搬光が隣接する光導波路へ漏洩して表示装置のコントラストを低下させたり、あるいはクロストークを生じさせたりすることを防ぐために、図１では省略したが、ポリマーコアをコアよりも屈折率の高い材料で被覆させることがより望ましい。特に、ポリマー樹脂に、フッ素系材料を混合することによって比較的大きな屈折率差が期待できる。
【００３８】
薄膜状導波路２による光導波路の集合体は、コアとクラッド材料の積層構造である。例えば、ステンレスのような薄い基板上に、蒸着などの薄膜形成方法によって数ミクロンのクラッド層を形成する。同様に、コア層を十数ミクロンから数十ミクロン程度の厚さで形成する。これを繰り返すことによって、コアとクラッドの積層体を作製することができる。各薄膜状導波路２の長さについては、最下層のクラッド−コア−クラッドの組と、その上に作製される２段目のコア−クラッドの組との長さの差が、画面縦方向のピッチに等しくなるようにする。そして、２段目のコア−クラッドの組を積層した後、再度、２段目のコア−クラッドの組よりも画面縦方向のピッチに等しい長さ分だけ短い３段目のコア−クラッドの組を形成する。この方法により光導波路積層体を作製する。
【００３９】
さらに、光導波路集合体にすることによって、表示装置の表示面における各画素８に対応するように各々の薄膜状導波路２の長さを変えることで、容易に表示面を作製することが可能となる。図１においては、表示装置下方から画像光を入射しているので、画面最上部にあたる薄膜状導波路２を最も長くし、画面下部になるにつれて徐々に導波路長さを短くすることで表示面を形成する。より具体的には、各薄膜状導波路２はそれぞれ長さの異なるものであり、画素を形成するために縦方向の画素ピッチＰ２分だけ出射端位置を変えるように導波路長さを調整している。１００インチハイビジョンディスプレイでは、縦長さ約１．２ｍで画素数１０８０であることから、画素ピッチＰ２は１ｍｍ程度である。したがって、薄膜状導波路２の長さを１ｍｍずつ短くする。また、横方向の画素ピッチＰ１は、導波路幅を調整して形成する。
【００４０】
図１では、画面横方向の導波路幅（画素ピッチＰ１）を変えることなく積層する例を述べたが、この他にも、図４に示すように、導波路横方向にも細くしていった光導波路７でも可能である。この場合、横方向の画素ピッチＰ３を形成するため、隣接する光導波路７の間にはスペーサなどを設けることで画素ピッチＰ３を制御する。縦方向の画素ピッチＰ４は、図１に説明のように、光導波路７の長さを変えることで実現することができる。図４では、光導波路集合体の入射面を絞ることができるため、光導波路集合体の入射面積を小さくすることが可能となり、画像歪みがさらに抑えられるようになる。
【００４１】
入射面が入射光に対して垂直となるような面であると、入射後の光が導波路内で全反射条件を満たさず、導波路外に漏洩する可能性がある。
【００４２】
そこで、図５に示すように、導波路長軸方向Ｗ（導波路内光進行方向）に、光導波路７の入射側端部に屈折率分布を持たせることによって、入射光を導波路長軸方向Ｗに曲げて（光路：ＧＷ３）、伝搬ロスを少なくするのが望ましい。光導波路７の中心部では屈折率分布を持たせることなく、導波路内光進行方向（導波路長軸方向Ｗ）と入射光進行方向がほぼ揃う。このように、光導波路７の入射側端部では、入射光を光導波路７へ入射した後、光導波路７内の屈折率分布により導波路長軸方向Ｗへ入射光の進行方向を変えることができる。
【００４３】
次に、画像形成素子４に関して以下に説明する。
【００４４】
光源から出射された光は、画像形成素子４により、画像光に変換される。画像に変換するためには、画像に対応する部分（画素）の光のみを光導波路に与えることで実現される。
【００４５】
その方法として、画素と同じ個数のマイクロミラーを配置し、マイクロミラーからの反射を光導波路に導入する。マイクロミラーは、電界あるいは磁界により角度を変える事ができるものである。ある角度の一状態にあるマイクロミラーからの反射光が光導波路に入射するとすれば、他の一状態では光導波路入射面方向には反射しない。このように、二状態により反射光を制御することで画像を形成することができる。
【００４６】
また同様に、反射型液晶パネルを用いる方法がある。液晶パネルに入射した光は、液晶パネル前面に設けられた偏光板により液晶パネルに導入される。液晶パネル内での偏光は、電界により液晶の配向方向がパネルを構成する上下基板に対して垂直になっていると、下基板で反射した光は偏光方向を９０度変えて反射する。したがって、偏光板の偏光方向に対して９０度捩れた偏光方向を持つことになり、光は液晶パネルから出てこない。一方、液晶の配向状態が上下基板に対して平行かつ数十度捩れていると、偏光は液晶の配向に沿って偏光軸を回転する。そして、下基板で反射した光は再度液晶の配向に沿って偏光方向を変え、反射光が液晶パネルから出射される。
【００４７】
なお、液晶パネルを用いたものでは、透過型液晶パネルも画像形成素子に用いることができる。この場合、液晶パネルがシャッターの役割を担い、画像を形成するのである。
【００４８】
その他の画像形成の方法を図６に示し、以下に動作を述べる。
【００４９】
光源が、例えばレーザなどのような直進性を持ち、そのスポット径がある程度小さいものであれば、集光した光を光導波路に直接入射する方法が可能である。光源の光を集光レンズ１１により集光する。集光した光は、第一段目のミラー９により反射される。第一段目のミラー９は、集光された光の反射角度を変える事が可能なもので、具体的には回転ミラーであるポリゴンミラーが良い。第一段目のミラー９では、入射面の長軸方向もしくは短軸方向のどちらかに反射光を走査する。
【００５０】
第一段目のミラー９で反射した光は、第二段目のミラー１０で反射する。第二段目のミラー１０にはガルバノメータを用いるのが良い。第二段目のミラー１０では、第一段目のミラー９で走査した方向とは異なるもう一方の方向に走査させる。これにより、入射面内全体に光を走査することができる。
【００５１】
これらのミラーを用いて二軸方向に集光した光源光を走査することで、光導波路に光を入射する。各光導波路に光を入射させるのと同期して、光源光の強度を変えることにより、各画素への入射光の強度を変え、画像を表示する。入射光の強度を変えるには、光源光強度を高速スイッチングすることで実現できる。これは、直接光強度を変えることも可能であるし、光源と第一段目のミラー９間に、電気信号により透過率が変化する媒体を設けて光強度を制御しても良い。
【００５２】
これまで説明してきたように、光源からの光を光導波路に入射する際、光導波路入射面を曲面とする、望ましくは放物状にすることによって、効率よく光導波路へ結合することが可能であることを述べてきた。この応用として、多数の光信号を多数の導波路に入射させるときの導波路集合体入射面を、同様の形状（例えば曲面、より具体的には放物状）とすることによって、導波路集合体への光信号の効率的な結合が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明にかかる表示装置および信号伝達素子は、光導波路入射面が入射光軸に対して垂直な面を有している。したがって、光導波路と入射光の結合効率が良く、また、画像補正のための大掛かりな反射ミラーを用いる必要がないため、光導波路を用いた大型薄型軽量の表示装置に有用である。また、ファイバを用いた信号伝達素子としての応用も期待される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１による表示装置を示す斜方概念図（ｂ）（ａ）の側面概念図
【図２】本発明の実施の形態１による表示装置の光伝搬を示す正面概念図
【図３】本発明の実施の形態１による表示装置の光伝搬を示す他の正面概念図
【図４】本発明の実施の形態１による他の表示装置を示す斜方概念図
【図５】本発明の実施の形態１による他の表示装置を示す概念図
【図６】本発明の実施の形態１による他の表示装置を示す概念図
【図７】（ａ）従来の技術による表示装置を示す斜方概念図（ｂ）（ａ）の正面概念図（ｃ）（ａ）の断面概念図
【符号の説明】
【００５５】
１    表示装置
２    薄膜状導波路
３    レンズ
４    画像形成素子
５    光源
６    画像形成光学系
７    光導波路
８    画素
９    第一段目のミラー
１０    第二段目のミラー
１１    集光レンズ
１２    補正光学系
１３    導波路積層体
１４    入射面
１５    画像光
１６    第１のミラー
１７    第２のミラー
【図１】
2006133452.tif 000003
【図２】
2006133452.tif 000004
【図３】
2006133452.tif 000005
【図４】
2006133452.tif 000006
【図５】
2006133452.tif 000007
【図６】
2006133452.tif 000008
【図７】
2006133452.tif 000009