(57)【要約】【課題】画像の表示部と信号処理部を独立に構成して、表示部の自由度を高くして表示部の薄型化や大画面化などへの拡張性を大幅に改善すること。【解決手段】光ファイバ１のコア１ａもしくはコア１ａ−クラッド１ｂの境界部分には、蛍光体が添加されており、初期状態において、光ファイバ１の両端より各々波長λ１及びλ２の光パルスが、Δｔの時間差をもって互いに逆向きに入射される。光ファイバ１中において光パルス部分は、中間凖位へ励起されるが通過部分はτ以上の時間経過で基底凖位に戻る。長手方向の位置ＬＣはΔｔにより制御可能であり、光ファイバの側面の任意位置における蛍光放射を実現出来る。【選択図】        図２
2004341367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光体をコアの内部もしくはコア−クラッドの境界部分に添加した光ファイバの一端より波長λ１の光パルスを入射し、前記光ファイバの他端より時間差Δｔの後に波長λ２の光パルスを入射して、前記２つの光パルスを互いに逆向きに伝播させる第１のステップと、
前記波長λ１（あるいはλ２）の光パルスの伝播に伴い、前記蛍光体を最初に中間凖位にまで励起し、次に、波長λ２（あるいはλ１）の光パルスによって上位凖位にまで励起することにより、蛍光発光を生じさせる第２のステップと、
前記時間差Δｔを変化させることにより、前記２つの光パルスが互いに交差する長手方向位置を任意に変更し、かつ前記蛍光体として前記中間凖位における寿命が十分短い材料を用いることで、前記中間凖位から前記上位凖位への励起がほぼ同時に生じる部分である２つの光パルスの交差領域付近においてだけ選択的に前記上位凖位からの蛍光放射を生じさせる第３のステップとを有し、
前記光ファイバの側面における長手方向の任意位置で蛍光発光を実現させるようにしたことを特徴とするディスプレイ方法。
【請求項２】
前記光ファイバの代わりに、ガラスや高分子材料で構成される平面型光導波路を用いたことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型ディスプレイ方法。
【請求項３】
映像信号が入力される信号処理部と、該信号処理部と独立に設けられ、該信号処理部からの信号光を、光ファイバを介して入力される表示部とを備えたディスプレイ装置であって、
前記信号処理部が、
前記映像信号を入力するビデオ信号処理部と、
該ビデオ信号処理部からの信号を受けて、１画面分の全絵素の表示順序に従ったデータ配列に変換し、パルスを送出して生成される蛍光をモニタしつつ、指定された画面位置における蛍光発光を生じさせるための光パルスの送出タイミングと強度が演算され記憶されるデジタル信号処理部と、
該デジタル信号処理部からの信号を受ける出力信号処理部と、
該出力信号処理部に接続され、光パルスを発生する光パルス発生部と
を備えたことを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項４】
前記光パルス発生部を保護するために、前記信号処理部へ入り込む光パルスを除去するための波長フィルタを設けたことを特徴とする請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項５】
前記表示部のディスプレイ部では、光ファイバ中において蛍光放射が全方位散乱されるため、ディスプレイ前面方向への放射効率を高めるべく背面側に全反射膜を設けるとともに、前面側に高強度の光パルスを遮断するための波長フィルタを設けたことを特徴とする請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項６】
前記光ファイバの代わりに平面型光導波路を用いたことを特徴とする請求項５に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレイ方法及びディスプレイ装置に関し、より詳細には、主に平面もしくは曲面フラットパネルディスプレイ装置、ウェラブルディスプレイ装置及びフラットパネル照明装置に係るディスプレイ方法及びディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバや光導波路を用いたディスプレイでは、照明用光ファイバ（例えば、液晶ディスプレイのバックライトなど）が存在するが、この方法は、散乱体が添加された領域全体で光散乱が固定的に起こるため動的な表示は無理であった（例えば、特許文献１，２参照）。また、ディスプレイとは異なるが、本発明の発光過程に類似の原理を用いる応用例に２光子励起顕微鏡がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
本発明の発光に関する部分の原理は、上述した文献のものと類似しているものの、表示方法や装置構成などが全く異なるものである。より一般的なディスプレイ方式としては、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）方式、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ）方式、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）方式、有機ＥＬ方式などが知られており、既に一部は商品化されているが、これらのディスプレイ方式は、全て画面を構成する平面もしくは曲面上の任意の絵素を選択発光させるために、マトリックスに配置された絵素毎に発光機能（発光ダイオードなどもしくは紫外線発生機能など）を備え、かつ全絵素を独立に制御するためのスイッチ機能（トランジスタなど）をディスプレイ部分と一体として具備したものであった。
【０００４】
【特許文献１】
特表２００１−５０９３０７号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平１０−２８８７８２号公報
【０００６】
【特許文献３】
特開平８−５４３４０号公報
【０００７】
【特許文献４】
特開２００２−２１１９３５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このため、これらのディスプレイ方式は、ディスプレイの大型化に伴う構造の複雑化や形状の自由度に対して制限が生じるという本質的な課題をかかえていた。このような課題を解決するために、本発明者により、すでに特願２００３−１１４９２３号が提案されている。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、画像の表示部と信号処理部を独立に構成して、光源やマトリックス配置のトランジスタスイッチなどが不要にし、大幅な機能の簡素化を可能にし、かつ表示部の自由度を高くして表示部の薄型化や大画面化などへの拡張性を大幅に改善するようにしたディスプレイ方法及びディスプレイ装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、蛍光体をコアの内部もしくはコア−クラッドの境界部分に添加した光ファイバの一端より波長λ１の光パルスを入射し、前記光ファイバの他端より時間差Δｔの後に波長λ２の光パルスを入射して、前記２つの光パルスを互いに逆向きに伝播させる第１のステップと、前記波長λ１（あるいはλ２）の光パルスの伝播に伴い、前記蛍光体を最初に中間凖位にまで励起し、次に、波長λ２（あるいはλ１）の光パルスによって上位凖位にまで励起することにより、蛍光発光を生じさせる第２のステップと、前記時間差Δｔを変化させることにより、前記２つの光パルスが互いに交差する長手方向位置を任意に変更し、かつ前記蛍光体として前記中間凖位における寿命が十分短い材料を用いることで、前記中間凖位から前記上位凖位への励起がほぼ同時に生じる部分である２つの光パルスの交差領域付近においてだけ選択的に前記上位凖位からの蛍光放射を生じさせる第３のステップとを有し、前記光ファイバの側面における長手方向の任意位置で蛍光発光を実現させるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光ファイバの代わりに、ガラスや高分子材料で構成される平面型光導波路を用いたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、映像信号が入力される信号処理部と、該信号処理部と独立に設けられ、該信号処理部からの信号光を、光ファイバを介して入力される表示部とを備えたディスプレイ装置であって、前記信号処理部が、前記映像信号を入力するビデオ信号処理部と、該ビデオ信号処理部からの信号を受けて、１画面分の全絵素の表示順序に従ったデータ配列に変換し、光パルスを送出して生成される蛍光をモニタしつつ、指定された画面位置における蛍光放射を生じさせるための光パルスの送出タイミングと強度が演算され記憶されるデジタル信号処理部と、該デジタル信号処理部からの信号を受ける出力信号処理部と、該出力信号処理部に接続され、光パルスを発生する光パルス発生部とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記光パルス発生部を保護するために、前記信号処理部へ入り込む光パルスを除去するための波長フィルタを設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記表示部のディスプレイ部では、光ファイバ中において蛍光放射が全方位散乱されるため、ディスプレイ前面方向への放射効率を高めるべく前記ディスプレイ部の背面側に全反射膜を設けるとともに、前面側に高強度の光パルスを遮断するための波長フィルタを設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記光ファイバの代わりに平面型光導波路を用いたことを特徴とする。
【００１６】
このように、本発明では、光ファイバの長手方向に沿った光ファイバの側面上の任意位置での発光を実現するために、光ファイバのコアまたはコア−クラッドの境界部分に３凖位系以上の凖位構成を有する蛍光体を予め添加し、光ファイバの両端から各々波長の異なる光パルスを入射させ、２段階の光パルス励起で中間凖位から上位凖位へ励起させることで光パルスの交差領域に局在化した蛍光放射を実現したものである。
【００１７】
また、適用する蛍光材料の例としては、半導体微粒子分散ガラスや色素イオンを注入したガラス、希土類元素を添加したガラスなどがある。光パルスの交差領域は互いに逆向きに伝播する光パルスの光ファイバへの入射タイミングで長手方向に対して任意に設定できるため、その結果、光ファイバの側面上の任意の点に指定した蛍光発光が実現できる。
【００１８】
さらに、光ファイバを用いて平面や曲面を形成し（光ファイバの代わりに光導波路の適用も可能）、光パルスの入射タイミングで発光位置をずらせながら反復することにより、平面や曲面ディスプレイとしての表示を可能とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係るディスプレイ方法の原理を説明するための図で、３凖位系からなる蛍光体における２光子励起と蛍光放射を表しており、下から電子状態の基底凖位、中間凖位、上位凖位を示している。
【００２０】
まず、基底凖位にある電子は、波長λ１の光パルスにより励起され、中間凖位に移ると同時に緩和により熱などに変化して下位凖位へ高速遷移する。この時、凖位内に留まる寿命（例えば、半減時間）をτとすると、このτ以下の十分短い時間内に続けてλ２の光パルスによる励起が加えられると上位凖位にまで活性化される。
【００２１】
活性化された電子は、波長Λｆの蛍光を放射しながら基底凖位へ遷移し、励起から蛍光放射に至る一連のプロセスは２波長の光励起により繰り返すことができる。逆に２段階目の励起（λ２の光パルス）のタイミングがτより十分大きい場合は、電子が上位凖位へ到達しないため蛍光放射は生じない。ここで、蛍光強度は励起される電子密度、すなわち励起光パルスの強度で調整することができる。
【００２２】
また、励起光パルスの順序が逆になった場合（λ２，λ１の順序で作用）、凖位間の励起エネルギー差がλ２の方が大きければ、中間凖位には到達するが２段階目の励起では上位凖位にまで到達しないことが分かる。蛍光体が４凖位系からなり、中間凖位が２通り存在し、λ２での励起で高い中間凖位（図中点線）に励起される状態を設定すると、２段階目のλ１の光で上位凖位にまで励起されるため、光パルスの励起順序に拠らず蛍光放射を起こすことも出来る。
【００２３】
上述した蛍光体の候補としては、まず、半導体微粒子分散ガラスがあり、代表的なものでは、ＣｕＣｌ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅなどの微粒子を添加したガラスがある。蛍光寿命は、概ね１ｎｓ以下と非常に高速である（寿命は粒子サイズや温度条件に依存し、例えば、ＣｄＳｅは室温、粒径５ｎｍで２００ｐｓ程度）（例えば、特許文献４参照）。
【００２４】
また、２光子顕微鏡の事例では、Ｃａイオン色素などを資料に添加することで２光子励起により蛍光発光を実現しており、Ｃａの他、ＣｕやＳｉなどイオン注入ガラスも可能性がある。さらに、一般的なものとしては、希土類元素を添加したガラスが知られており、代表的なものでは、Ｅｒ３＋やＰｒ３＋を添加したガラスが光ファイバ増幅器などの用途に用いられている。例えば、Ｐｒ３＋添加のフッ化物系ガラスにおいては、１０１０ｎｍ及び８４０ｎｍの２波長励起で３原色領域での発光が生じることが知られている。
【００２５】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るディスプレイ方法の一実施例を説明するための図で、対向光パルスによる蛍光発生サイクルを示す図である。図中符号１は光ファイバ、１ａはコア、１ｂはクラッド、ａはレーザ色素微粒子基底状態、ｂは１段励起状態、ｃは基底状態（緩和済）、ｄは２段励起状態を示している。
【００２６】
光ファイバ１のコア１ａもしくはコア１ａ−クラッド１ｂの境界部分には、蛍光体が添加されており、図２（ａ）に示す初期状態において、光ファイバ１の両端より各々波長λ１及びλ２の光パルスが、Δｔの時間差をもって互いに逆向きに入射される。光ファイバ１中において光パルス部分は、図２（ｂ）のように、中間凖位へ励起されるが、通過部分はτ以上の時間経過で基底凖位に戻る。図２（ｃ）にあるように、２つの光パルスは長手方向の位置Ｌ０で交差し、ＬＣはΔｔと以下の関係を有する。
Δｔ＝（Ｌ０−２ＬＣ）／ｖ    ・・・（１）
ここで、Ｌ０は光ファイバ全長、ｖは光ファイバ中の光速である。ＬＣはΔｔにより制御可能であり、光ファイバの側面の任意の位置における蛍光放射を実現出来る。
【００２７】
図３（ａ），（ｂ）は、蛍光放射の生じる領域を説明するための図で、光パルスの交差と分解能の関係を示す図である。実線が２組の交差する光パルス、ＬＣはパルスの交差位置、点線は中間凖位での励起された電子密度でｄ（＝τｖ）はその幅である。図３（ａ）は、幅ｄが光パルス幅Ｄと同等以下の場合であり、この時は有効な蛍光放射領域（分解能）は、対向光パルスの重なり面積で近似できるためＤ／２程度（半値幅）となる。図３（ｂ）に示されるように、幅ｄが光パルス幅より十分大きくなると、パルス通過後も中間凖位に励起電子が存在するため、上位凖位への励起が生じる領域が拡大し、分解能はｄで近似できる。例えば、半導体微粒子分散ガラスでτが１００ｐｓ程度であれば、パルス幅１００ｐｓ程度の励起光を用いた場合に分解能は１ｃｍ程度となる。（ｖ＝２×１０１０ｃｍ、τ＝１００ｐｓ）。
【００２８】
図４は、カラー表示を行うための一実施例を説明するための図で、図中符号２は光ファイバ（３本１組）、ｅはパルス交差位置を示しており、光ファイバを３本１組に束ねた構成で実現可能としたものである。
【００２９】
具体的には、Ｐｒ３＋添加のガラスなどでは青緑赤の３原色に対応する蛍光放射が生じるため、３本の光ファイバ２に添加し、光ファイバ２の表面などに各１色だけ透過する色フィルタをコーティングすることで３原色の選択を実現し、同時にΔｔの制御により位置指定を行うことでカラー表示が可能となる。
【００３０】
図５は、光ファイバの２次元平面構成図で、光ファイバで平面もしくは曲面を構成した場合のディスプレイイメージを示した図である。図中符号１１は光ファイバ、１２は絵素を示している。なお、ｆは弦巻バネ状に接続又は折り返しで接続していることを示している。
【００３１】
光ファイバ１１を単純に重ねて面を構成することで任意の平面や曲面が形成できる。画面中の絵素１２の位置は、前述のように、Δｔを変化させることにより任意に制御できる。１次元の光ファイバで面を構成する代わりに、元々面形状のガラス系もしくは高分子材料で作成された平面型光導波路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔなど）を用いることも可能である。
【００３２】
図６（ａ），（ｂ）は、ディスプレイ面の断面方向の模式図で、図６（ａ）は光ファイバで構成された場合、図６（ｂ）は平面型光導波路で構成されたイメージを示した図である。図中符号２１は光ファイバ、２１ａはコア、２１ｂはクラッド、２２は全反射膜、２３は波長フィルタ、２４は固定フレーム、２５は蛍光、２６は光導波路、２６ａはコア、２６ｂはクラッド、２７は全反射膜、２８は波長フィルタ、２９は固定フレーム、３０は蛍光を示している。
【００３３】
図６（ａ）において、蛍光放射は、光ファイバ２１中で全方位放射されるため、ディスプレイ前面への放射光強度を強め、かつ不要な光を除去するために、光ファイバ２１の背面側に全反射膜２２をコーティングするとともに、前面側に高強度の光パルスを遮断するための波長フィルタ２３をコーティングすることが有効である。
【００３４】
また、図６（ｂ）において、同様に、蛍光放射は、光導波路２６中で全方位放射されるため、ディスプレイ前面への放射光強度を強め、かつ不要な光を除去するために、光導波路２６の背面側に全反射膜２７をコーティングするとともに、前面側に高強度の光パルスを遮断するための波長フィルタ２８をコーティングすることが有効である。
【００３５】
図７は、本発明に係るディスプレイ装置の全体構成図で、装置全体を制御する信号処理の機能構成図である。図中符号４０は信号処理部、４１はビデオ信号処理部（デコーダ、Ａ／Ｄなど）、４２はデジタル信号処理部（信号補正、ｂｉｔ配列変換など）、４３は出力信号処理部（タイミング補正、フレーム化、Ｄ／Ａなど）、４４，４５は光パルス発生部、４６，４７は波長フィルタ、４８はモニタ部、４９ａ，４９ｂは光ファイバ、５０は表示部、５１は光検出部を示している。
【００３６】
映像信号はビデオ信号処理部４１に入力し、信号のデコード、Ａ／Ｄなどを経て、デジタル信号処理部４２に入り、表示部５０において画面表示が行われるように信号のｂｉｔ列の配列変換、各ｂｉｔの強度と時刻調整が行われる。デジタル信号処理部４２の出力は、出力信号処理部４３に入り、映像信号は１画面を形成する信号ｂｉｔ列毎にフレーム化され、Ｄ／Ａ変換を経て光パルス発生部４４に入る。この時、出力信号処理部４３では表示部５０の各絵素の２次元座標（ｐ、ｑ）を発光させるために必要な時間差Δｔ（ｐ、ｑ）が演算され、もう一方の光パルス発生器４５への出力に対しては、信号ｂｉｔ列をΔｔだけ時刻変移させたものが送出される。光パルス発生部４４，４５に入った信号は、例えば、各々λ１，λ２の光に光電変換され、波長フィルタ４６，４７を経て光ファイバ４９ａ，４９ｂに入射される。波長フィルタ４６，４７は、表示部５０を伝播して信号処理部４０に戻ってくる光パルスを遮断するためのものである。
【００３７】
２つの光パルスは、光ファイバ４９ａ，４９ｂを伝播し、表示部５０の座標（ｐ、ｑ）の位置における絵素において交差し、その位置で蛍光発光が生じて光ファイバの外部へ放射される。表示部５０の一部分に光検出部５１を設け、光電変換された信号からモニタ部４８で蛍光の強度と検出時刻などを抽出し、デジタル信号処理部４２へフィードバックすることにより、光パルスの強度やΔｔの補正が行われる。以上のプロセスを繰り返すことにより、表示部５０上において映像表示が実現される。
【００３８】
映像としてカラー表示を実現する場合は、図４に示されるように、３本の光ファイバを１組として扱って表示部５０を構成し、ビデオ信号処理部４１において映像信号からカラー信号情報が抽出され、３原色成分の各強度が求められることにより、各成分毎にデジタル信号処理部４２、出力信号処理部４３、光パルス発生部４４，４５までの処理を並列に実施することでカラー表示が可能となる。
【００３９】
また、表示部５０の形状やサイズが変わった場合においても、デジタル信号処理部４２の信号処理ファームウェアを書き換える、もしくは外部からのデータ入力で信号処理ソフトウェアの初期条件（例えば、映像信号のｂｉｔ配列パターンやΔｔの基準値）を再設定することだけで表示部の変更に柔軟に対応できる。
【００４０】
このように、本発明のディスプレイ装置は、パッシブな表示部５１と信号処理を行う信号処理部４０を分離した構成をとることができる。図７は、表示部５０として光ファイバで平面を構成している例であるが、画像の表示部５０と信号処理部４０が独立しているため、表示部５０の形状変更や表示位置変更などに対しても、信号処理部４０の設定（初期設定による形状認識）もしくはソフト処理（複数形状の登録）で対応が可能になる。信号処理部４０の光ファイバの入射部分に挿入される波長フィルタ４６，４７は、光パルスが光ファイバの伝播後に信号処理部４０へ入り込むことを防ぐものである。
【００４１】
まず、外部より光ファイバで構成されたディスプレイ形態の初期条件データ（画面位置など）を入力し、装置のキャリブレーションと初期設定が構築される。例えば、光パルスを送出して生成される蛍光をモニタ部４８でモニタすることで、指定された画面位置における光パルスの送出タイミングΔｔ（ｐ，ｑ）と適正な強度が演算され記憶される。初期設定完了後、外部からの映像信号は１画面分の全絵素の表示順序に従ったデータ配列に変換され、１フレームを構成した後、各絵素信号に対応した光パルスがΔｔ（ｐ，ｑ）のタイミングで出力され画面上の指定された位置で蛍光放射が生じ、１フレーム分の光パルス列が処理されることで１画面がディスプレイ上に表現される。入力が映像信号の場合は、フレームの信号が時間と共に随時更新されることで動画像表示が実現される。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、画像の表示部分と信号処理部分を独立に構成できるため、光源やマトリックス配置のトランジスタスイッチなどが不要となり、大幅な機能の簡素化が可能となり、かつ表示部分の自由度が高くなるため、ディスプレイの薄型化や大画面化などに対する拡張性を大幅に改善するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るディスプレイ方法の原理を説明するための図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るディスプレイ方法の一実施例を説明するための図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、蛍光放射の生じる領域を説明するための図である。
【図４】カラー表示を行うための一実施例を説明するための図である。
【図５】光ファイバの２次元平面構成図である。
【図６】ディスプレイ面の断面方向の模式図で、（ａ）は光ファイバで構成された場合、（ｂ）は平面型光導波路で構成されたイメージを示した図である。
【図７】本発明に係るディスプレイ装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１，１１，２１  光ファイバ
１ａ，２１ａ，２６ａ  コア
１ｂ，２１ｂ，２６ｂ  クラッド
２  光ファイバ（３本１組）
１２  絵素
２２，２７  全反射膜
２３，２８  波長フィルタ
２４，２９  固定フレーム
２５，３０  蛍光
２６  光導波路
４０  信号処理部
４１  ビデオ信号処理部
４２  デジタル信号処理部
４３  出力信号処理部
４４，４５  光パルス発生部
４６，４７  波長フィルタ
４８  モニタ部
４９ａ，４９ｂ  光ファイバ
５０  表示部
５１  光検出部
【図１】
2004341367.tif 000003
【図２】
2004341367.tif 000004
【図３】
2004341367.tif 000005
【図４】
2004341367.tif 000006
【図５】
2004341367.tif 000007
【図６】
2004341367.tif 000008
【図７】
2004341367.tif 000009