(57)【要約】【課題】液晶ディスプレイの視認性を良くする指向性光源、及び視認性を良くすると共に視野角が制御できる指向性制御光源を提供する。【解決手段】活性層で誘導放出された光を表面から発光する面発光体２と、その面発光体２の表面に一定間隔で並べられた複数の光透過膜片３とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層で誘導放出された光を表面から発光する面発光体と、その面発光体の表面に一定間隔で並べられた複数の光透過膜片とを備えたことを特徴とする指向性光源。
【請求項２】
上記光透過膜片同士の並び間隔が上記面発光体の発光波長以下であることを特徴とする請求項１記載の指向性光源。
【請求項３】
活性層で誘導放出された光を表面から発光する面発光体と、その面発光体の表面に一定間隔で並べられた複数の光透過膜片と、これら複数の光透過膜片を透過する透過光の位相を変化させる位相変化手段とを備えたことを特徴とする指向性制御光源。
【請求項４】
上記位相変化手段が上記光透過膜片の屈折率を変化させることにより透過光の位相を変化させる屈折率変化手段であることを特徴とする請求項３記載の指向性制御光源。
【請求項５】
上記位相変化手段が上記光透過膜片中の光路長を変化させることにより透過光の位相を変化させる光路長変化手段であることを特徴とする請求項３記載の指向性制御光源。
【請求項６】
上記光透過膜片が電圧印加により光の透過方向に変形する圧電材料からなり、上記光路長変化手段が上記光透過膜片に電圧を印加する電極からなることを特徴とする請求項５記載の指向性制御光源。
【請求項７】
上記複数の光透過膜片を透過した位相の異なる光が干渉し合うことによるビーム指向性を上記複数の光透過膜片を透過する透過光に与える位相変化により制御するビーム指向性制御手段を備えたことを特徴とする請求項３〜６いずれか記載の指向性制御光源。
【請求項８】
上記ビーム指向性制御手段が定期的にビーム指向性を所定の複数方向に順次切り替える制御を行うことを特徴とする請求項７記載の指向性制御光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイの視認性を良くする指向性光源、及び視認性を良くすると共に視野角が制御できる指向性制御光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ブラウン管に代わる薄型ディスプレイの需要が高まっている。その薄型ディスプレイのひとつが液晶ディスプレイである。薄型ディスプレイには、視野角という観点で大きく分けて３つのタイプがある。すなわち、１．テレビ用途に視野角を拡大した視野角拡大タイプ、２．パソコン用途などプライバシー保護のために視野角を制限した視野角制限タイプ、３．車載用途に異なる角度に２つの異なる動画を表示するためのデュアルビュータイプである。
【０００３】
視野角制限タイプとデュアルビュータイプについては、液晶ディスプレイの他に競合する表示デバイスがなく、液晶ディスプレイがもっぱら利用されている。
【０００４】
しかし、液晶は自身で発光しないため、液晶ディスプレイにはバックライトや光学フィルタが必要である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−００６２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液晶ディスプレイはバックライトの光で表示を行うが、屋外などの周囲が明るい環境においては、バックライトの光が相対的に弱いため、画像の視認性が低下するという問題がある。視野角制限タイプやデュアルビュータイプの液晶ディスプレイでは、特定の角度に強く光を出す性質を高めることが、画像の視認性を改善することにつながる。
【０００７】
本発明者は、液晶ディスプレイにおける視認性の改善に関し、液晶や光学フィルタではなく、光源において特定の角度に強く光を出す性質（以下、指向性という）を高めることにより、視認性を改善することを提案すると共に、その指向性を制御して視野角を自由に変えられるようにすることを提案するものである。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、液晶ディスプレイの視認性を良くする指向性光源、及び視認性を良くすると共に視野角が制御できる指向性制御光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明の指向性光源は、活性層で誘導放出された光を表面から発光する面発光体と、その面発光体の表面に一定間隔で並べられた複数の光透過膜片とを備えたものである。
【００１０】
上記光透過膜片同士の並び間隔が上記面発光体の発光波長以下であってもよい。
【００１１】
また、本発明の指向性制御光源は、活性層で誘導放出された光を表面から発光する面発光体と、その面発光体の表面に一定間隔で並べられた複数の光透過膜片と、これら複数の光透過膜片を透過する透過光の位相を変化させる位相変化手段とを備えたものである。
【００１２】
上記位相変化手段が上記光透過膜片の屈折率を変化させることにより透過光の位相を変化させる屈折率変化手段であってもよい。
【００１３】
上記位相変化手段が上記光透過膜片中の光路長を変化させることにより透過光の位相を変化させる光路長変化手段であってもよい。
【００１４】
上記光透過膜片が電圧印加により光の透過方向に変形する圧電材料からなり、上記光路長変化手段が上記光透過膜片に電圧を印加する電極からなってもよい。
【００１５】
上記複数の光透過膜片を透過した位相の異なる光が干渉し合うことによるビーム指向性を上記複数の光透過膜片を透過する透過光に与える位相変化により制御するビーム指向性制御手段を備えてもよい。
【００１６】
上記ビーム指向性制御手段が定期的にビーム指向性を所定の複数方向に順次切り替える制御を行ってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１８】
（１）請求項１の指向性光源によれば、液晶ディスプレイの視認性を良くすることができる。
【００１９】
（２）請求項３の指向性制御光源によれば、液晶ディスプレイの視認性を良くすると共に視野角が制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１に示されるように、本発明に係る指向性光源１は、活性層で誘導放出された光を表面から発光する面発光体２と、その面発光体２の表面に一定間隔で並べられた複数の光透過膜片３とを備えたものである。
【００２２】
また、図１の指向性光源１に加えて、複数の光透過膜片を透過する透過光の位相を変化させる位相変化手段４を備えることにより、本発明に係る指向性制御光源５を構成することができる。
【００２３】
面発光体２は、基板２０の下面に第１電極２１を形成すると共に、基板２０の上面には、ｎ−バッファ層２２、第１多層反射膜層２３、ｎ−クラッド層２４、活性層２５、ｐ−クラッド層２６、第２多層反射膜層２７、ｐ−キャップ層２８、第２電極２９を積層して形成したものである。この面発光体は、慣用の結晶成長技術により製造することができる。また、この積層構造から分かるように、この面発光体は、活性層２５で誘導放出された光を表面から発光するレーザダイオードである。
【００２４】
光透過膜片３は第２電極２９の表面上に設けられる。
【００２５】
この実施形態では、光透過膜片３は電圧印加により光の透過方向に変形する圧電材料からなる圧電体薄膜である。これに対応し、光路長変化手段４は光透過膜片３である圧電体薄膜に電圧を印加するために光透過膜片３を挟む電極で構成されるが、一方の電極は面発光体２の第２電極２９で兼用しているので、光路長変化手段４は、第２電極２９と光透過膜片３の上に設けた第３電極６とで構成される。また、第３電極６の上に補助電極７を設けるのが好ましい。第３電極６を金属薄膜で形成し、補助電極７を金属ほどの導電性はないが導電性が有り、光透過性に優れた材料で形成することにより、光路長変化手段４に導電性と光透過性を共に持たせることができる。
【００２６】
補助電極７としては、例えば、ＩＴＯ膜がある。ＩＴＯはＩｎ2Ｏ3にＳｎＯ2を約１０％混ぜた半導体セラミックスであり、電導度がある程度高く、丈夫で加工（エッチング）がしやすく、しかも可視光を透過させる性質を持つ材料であるから、補助電極７に適している。
【００２７】
面発光体２に配置する光透過膜片３の数には制限がないが、ここでは、後述するビーム指向性制御手段においてひとまとまりの制御対象となる光透過膜片３の数を光透過膜片個数と呼ぶことにする。図１に示した本実施形態は、光透過膜片個数を１０個としたものであり、これらひとまとまりの制御対象となるａ列からｊ列までの１０個の光透過膜片３に対する電圧印加は個別に行われるよう、ａ列からｊ列までの第３電極６、補助電極７には個別の電圧印加端子からの配線（図示せず）が施される。
【００２８】
図示外の範囲にも同様のａ列からｊ列にわたる光透過膜片３、第３電極６、補助電極７が多数設けられることにより、上記ａ列からｊ列までの１０個の光透過膜片３を１つの点光源又は線光源として平面に多数並べたアレイ状面光源を形成することができる。
【００２９】
図１の指向性制御光源５には、図示しないが、ビーム指向性を複数の光透過膜片３を透過する透過光に与える位相変化により制御するビーム指向性制御手段が設けられる。ビーム指向性制御手段は、上記アレイ状面光源を構成する多数の点光源又は線光源に対して一斉に、光路長変化手段４におけるａ列からｊ列までの印加電圧を個別に制御するようになっている。
【００３０】
図７に示されるように、アレイ状面光源から放出された光が球面波と近似できる程度の広がりを持つ場合、図のように各アレイ状面光源から放射される光に、所望の方向に光が強め合う条件で位相差をつけることで、合成された波面が一定の方向を向くような制御が可能である。光源としてレーザを使用するため、アレイ状面光源には放射角を極力広くするため光取り出し面の形状を球面状にすることが必要である。
【００３１】
次に、図１の指向性光源１の動作を説明する。図１の指向性光源５は、位相変化手段４及びビーム指向性制御手段が設けられているが、これらの手段が無ければ指向性光源１であり、あるいはこれらの手段を用いてもａ列からｊ列まで光路長を同じにして放出光を同位相とすれば、指向性が固定の指向性光源１’として動作する。
【００３２】
すなわち、面発光体２の表面から放出されたレーザ光がａ列からｊ列の光透過膜片３を透過し、第３電極６、補助電極７を透過して、外部へ放出される。このとき、無限個のアレイ状面光源が配置されている場合、位相差が全部０のときは指向性は生じない。しかし、図８に示されるように、有限個のアレイ状面光源が配置されている場合、アレイの中央部はアレイ端から放出する光が最も密となり同相で合成されるため、中央部を最大とする指向性を持つ。また、波の移相が逆相になる角度ではビームの強度は極小値をとる。指向性は、位相差を０にすることで、９０°方向に指向性を持たせるという位相制御条件となる。
【００３３】
このように、本発明の指向性光源１，１’によれば、指向性を有する光を放出できるので、液晶ディスプレイのバックライトとして用いることにより、視野角制限タイプの液晶ディスプレイに有用であると共に、その液晶ディスプレイの視認性を良くすることができる。
【００３４】
次に、図１の指向性制御光源５の動作を説明する。
【００３５】
面発光体２の第１電極２１と第２電極２９との間に、しきい値電圧以上の電圧を印加すると、活性層２５から放出される誘導放出の割合が増加する。活性層２５を第１多層反射膜層２３と第２多層反射膜層２７で挟むことで光の共振器が構成され、レーザ発振が起きる。
【００３６】
第２多層反射膜層２７を透過したレーザ光は、第２電極２９を透過して、面発光体２の表面から放出される。放出されたレーザ光は、ａ列からｊ列の光透過膜片３を透過し、第３電極６、補助電極７を透過して、外部へ放出される。
【００３７】
このとき、圧電体薄膜である光透過膜片３は、位相変化手段４を構成する第２電極２９と第３電極６とに挟まれているので、これら電極間に印加される電圧に応じて電極間方向の厚みが変化する。このためにレーザ光が光透過膜片３を透過する光路長が変化する。ａ列からｊ列まで同じ電圧を印加すれば光路長の変化はどの光透過膜片３でも同じであるが、ａ列からｊ列まで異なる電圧を印加すれば光路長の変化は光透過膜片３によって異なる。
【００３８】
面発光体２は誘導放出によりコヒーレント光を発光するレーザダイオードであるから、面発光体２の表面から放出される光の位相は、表面上の場所によらず全て一致している。しかし、光透過膜片３において光路長の変化がａ列からｊ列個別に与えられたため、補助電極７を透過して外部へ放出される光の位相は、ａ列からｊ列で異なる。これら位相の異なる光が互いに干渉することにより、特定の角度に光が強くなる。すなわち、ある方向への指向性が生じる。
【００３９】
そこで、ビーム指向性制御手段がａ列からｊ列の光透過膜片３に印加する電圧を個別に調節することにより、光透過膜片３を透過する透過光に与える位相変化を異ならせ、ビーム指向性を制御する。
【００４０】
このように、本発明の指向性制御光源５によれば、所望の指向性を有する光を放出できるので、液晶ディスプレイのバックライトとして用いることにより、視野角制限タイプの液晶ディスプレイに有用であると共に、その液晶ディスプレイの視認性を良くすることができる。
【００４１】
また、本発明の指向性制御光源５においてビーム指向性を制御することにより、液晶ディスプレイの視野角が任意に制御でき、視野角制限タイプの液晶ディスプレイにおける視野角可変化が可能になると共に、次に説明するデュアルビュータイプの液晶ディスプレイへの応用も期待できる。
【００４２】
人間の残像視覚特性から、連続静止画像を動画像として認識するためには、テレビのように１／３０秒に１コマ以上の画像を表示する必要がある。異なる２つの動画像を異なる視野角に表示するデュアルビュータイプの液晶ディスプレイにバックライトとして本発明の指向性制御光源５を用いる場合、２つの映像を２方向（視野角）に切り替えるため、ビーム指向性制御手段は１／６０秒ごとにビーム指向性を切り替え制御することになる。
【００４３】
ビーム指向性制御手段は、２方向に限らす、定期的にビーム指向性を所定の複数方向に順次切り替える制御を行うことにより、複数の映像を複数方向に切り替えるものに利用できる。
【００４４】
また、本発明の指向性制御光源５において、照明に使用できるほどの輝度で発光を行うことにより、スポットライト等の照射方向が可変な照明器具が実現できる。この場合、光源を物理的に動かすことなく、ビームを動かすことができるという利点がある。
【００４５】
さらに、本発明の指向性制御光源５において、このアレイ状光源ＲＧＢ各色を１組として、縦横アレイ状に配置して平面もしくは曲面を形成して、画像信号で駆動するディスプレイを構成する。画像信号を１／３０秒ごとに切り替えることで人間が動画として認識する映像を映し出すことが可能となる。さらに、１／６０秒ごとに交互に異なる方向に異なる映像信号を載せたビームを放射すること、すなわち映像信号を切り替え、それぞれの映像信号に同期する１／６０秒ごとのタイミングで、アレイ状面光源への位相を切り替えることで、異なる角度に２つの異なる動画を表示するデュアルビュータイプのディスプレイを実現することができる。
【００４６】
上記の実施形態では、位相変化手段４が光透過膜片３中の光路長を変化させることにより透過光の位相を変化させる光路長変化手段であったが、位相変化手段４が上記光透過膜片の屈折率を変化させることにより透過光の位相を変化させる屈折率変化手段であってもよい。すなわち、光透過膜片３に電気光学効果、音響光学効果、磁気光学効果、熱光学効果、非線形光学効果などを示す材料を用い、電圧、電流、電磁波、弾性波、熱などの制御入力に応じて光路長・屈折率など位相変化に寄与する物性の変化が生じるようにすればよい。
【００４７】
上記の実施形態では、ひとまとまりの制御対象となる光透過膜片個数を１０個としたが、この個数の増減は任意である。光透過膜片個数を増加させれば、構造は複雑化するが、より緻密な指向性制御が可能となる。光透過膜片個数を減少させれば、指向性制御はおおまかとなるが、構造は単純化できる。
【００４８】
上記の実施形態では、基板２０の上面にｎ型の層、活性層、ｐ型の層を順に形成したが、基板２０の上面にｐ型の層、活性層、ｎ型の層を順に形成してもよい。また、基板２０は、化合物半導体基板が好ましいが、これに限らず、エピタキシャル結晶成長が可能であれば他の材料からなる基板でもよい。
【実施例】
【００４９】
（実施例１〜５）
図１に示した指向性光源１’及び指向性制御光源５において、面発光体２の発光波長を６００ｎｍとし、光透過膜片個数を１０個とし、光透過膜片３の並び間隔（ピッチ）と位相変化手段４により与える位相差を表１のように異ならせて実施例１〜５を実施し、計算により指向性を評価した。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
表１に示されるように、実施例１〜３は、光透過膜片３の配置ピッチをそれぞれ６００ｎｍ，４００ｎｍ，５００ｎｍとしたもので、ａ列からｊ列に与える位相差は全て０とした。実施例１の指向性を図２に、実施例２の指向性を図３に、実施例３の指向性を図４に示す。これらから分かるように、光透過膜片３のピッチを面発光体２の発光波長に等しいかそれより短くすると、正面方向（９０°）への放射を強くすることができると共に、その最大放射方向から±７０°〜９０°方向への放射を抑制することができる。
【００５２】
実施例４，５は、光透過膜片３の配置ピッチをいずれも５００ｎｍとし、ａ列からｊ列に与える個々の位相差を異ならせ、実施例４と実施例５とではその位相変化のパターンを異ならせた。実施例４の指向性を図５に、実施例５の指向性を図６に示す。これらから分かるように、位相差を制御することで最大放射方向が制御可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態を示す指向性光源兼指向性制御光源の断面図である。
【図２】実施例１の指向性図である。
【図３】実施例２の指向性図である。
【図４】実施例３の指向性図である。
【図５】実施例４の指向性図である。
【図６】実施例５の指向性図である。
【図７】本発明の指向性光源兼指向性制御光源において合成された波面を示すイメージ図である。
【図８】本発明の指向性光源兼指向性制御光源において位相差０の場合を示すイメージ図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，１’  指向性光源
２  面発光体
３  光透過膜片
４  位相変化手段
５  指向性制御光源
【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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