(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にコア部を有する管状のクラッド部と、
上記クラッド部の内部に光を入射する光源とを有し、
上記コア部には、少なくとも２以上の、上記入射光に対して透明である流動性の媒質が封入され、
上記クラッド部の少なくとも一端が、上記入射光に対して透明な封止部により封止され、
上記クラッド部の内部において隣接する媒質の境界部には、上記入射光に対して略垂直面である界面が形成され、
上記界面の位置を移動させる手段を備え、
上記入射光を上記界面で散乱させることにより上記クラッド部の外部に取り出す光学素子。
【請求項２】
上記媒質は液体と気体であって、
上記媒質は、上記光源から光を入射する側が液体、もう一方の側が気体であり、
上記界面の位置を移動させる手段を気体側に備えた請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
上記液体が水、上記気体が空気である請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
上記クラッド部の上記光源から光を入射する側の端部から、上記光源に接続された光ファイバーが挿入され、上記クラッド部の上記光ファイバー挿入側端部が、シール材により封止されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
上記界面の位置を移動させる手段として、上記クラッド部の内部の圧力を調整する圧力制御手段を有し、
該圧力制御手段によって上記媒質を加圧又は減圧することにより、上記界面を移動させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
上記圧力制御手段がピエゾ素子である請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
両端部を封止され、少なくとも一端の封止部が透明である管状のクラッド部と、該クラッド部の内部であって、２以上の流動性の媒質からなり、該媒質間に界面が形成されてなるコア部と、上記クラッド部の内部に光を入射する光源とを具備する光学素子が複数本配列され、上記各クラッド部の内部の圧力を各々制御して上記各界面の位置を移動させる手段を具備し、
上記入射光を、上記各界面で散乱させることにより上記各クラッド部の外部に取り出す光学装置。
【請求項８】
上記媒質が液体と気体であって、
上記媒質は、上記光源から光を入射する側が液体、もう一方の側が気体であり、
上記界面の位置を移動させる手段を気体側に備えた請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
上記液体が水、上記気体が空気である請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
上記界面の位置を移動させる手段として、上記クラッド部の内部の圧力を調整する圧力制御手段を有し、
該圧力制御手段によって上記媒質を加圧又は減圧することにより、上記界面を移動させる請求項７〜９のいずれか１項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子およびこれを用いた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディスプレイデバイスは、マン−マシンインターフェイスとして、ますます需要が高まってきており、例えば、ＰＤＰ（プラズマディスプレイ）、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）、ＥＬＤ（エレクトロルミネッセンスディスプレイ）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の表示デバイスが既に実用化されている。
これらのディスプレイは、エレクトロニクスの発展によって高精度化が進んでおり、品質、価格ともに既に成熟段階にある。
【０００３】
エレクトロニクスを駆使した従来のディスプレイは、ディスプレイ画面に電界、電流を使用し、平面上の画素に電界、電流を印加するため、Ｘ軸、Ｙ軸のアドレッシングの電極が必要であり、少なくとも２次元の配線を必要としている。
このためディスプレイパネルを大型化しようとすると電極またはその配線による電気抵抗が不可避的に上昇するという欠点を有している。
【０００４】
その他、例えば家庭用大型テレビジョン等のエレクトロニクスを利用したディスプレイは容積や消費電力が大きく、またハイディフィニション信号に追従するときに応答スピードが足りないなど、省電力、高画質の点から改善の余地が残されている。
【０００５】
一方において、上記エレクトロニクス型のディスプレイの問題点に鑑みてフォトニクスを利用したディスプレイについて各種提案がなされており、例えば特開２００１−１７５１９７号公報にフォトニクスを利用した光導波路型のディスプレイの例が開示されている。
【０００６】
上記公報に開示されているようなフォトニクスを利用した光学装置は、光源として使用される半導体レーザ等は別として、ディスプレイ画面に電界や電流は一切使用せず、光励起だけで画像表示が可能であるため、高コントラストの高品質表示が可能である。
また、従来のエレクトロニクス型のディスプレイのように、画面サイズの大型化を阻む最大の要因であった電極配線を必要としないため、この光導波路型のディスプレイの画面サイズには構造上制約が少なく大画面化が可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記特開２００１−１７５１９７号公報に記載されている光学装置は、複数の第１の光導波路（又は光ファイバー）と、これらの第１の光導波路に直交または略直交した複数の第２の光導波路（又は光ファイバー）とを有し、これらの光導波路の交差部に各光導波路内でそれぞれ導かれるレーザ光の光強度によって励起される光スイッチが設けられ、この光スイッチの外部または内部に光路変更手段として反射板が設けられた構成を有するものである。
すなわち、ある特定の画素を発光させるためには、水平走査線と垂直走査線に相当する光導波路（光ファイバー）とを互いに交差させることが必須の構成要件となされている。
【０００８】
上述したように、従来の表示デバイスにおいては、１ラインを表示するために１ライン中の各画素に相当する位置への電気的あるいは光学的な配線が必要とされており、これが光学装置作製プロセスの複雑化を招来し、特に表示領域の大画面化のためには広い範囲に渡り互いに交差する光導波路を形成しなければならず、ディプレイの薄膜化、フレキシブル化等を妨げるものとなっていた。
【０００９】
そこで本発明者らは上記問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、１ライン中の任意の点へのアドレッシングを各画素への電気的配線や複数の光導波路の組み合わせ構成を設けることなく行うことのできる光学素子、およびこれを用いた光学装置を提供することした。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子は、内部にコア部を有する管状のクラッド部と、クラッド部の内部に光を入射する光源とを具備し、コア部は少なくとも２以上の入射光に対して透明である流動性の媒質が封入されてなるものとし、クラッド部の内部において隣接する媒質間には、入射光に対して略垂直面である界面が形成され、光源から入射された光を界面において散乱させてクラッド部の外部に取り出すようにしたものである。
【００１１】
上記本発明の光学素子は電気的な配線を必要とせず、また一画素の表示のために光導波路を交叉させる構成を必要としないため、簡易な構成の光スイッチや画像表示装置等の各種光学装置に応用ができる。
【００１２】
本発明の光学素子によれば、管状のクラッド部の内部のコア部、すなわち光導波路中に形成した流動体の界面において高効率で光を導波路外に放出させ、この界面を移動させることにより、光放出の場所が制御され、簡易な構成の光スイッチや画像表示装置に利用できる。
【００１３】
また、本発明の光学素子においては、管状のクラッド部に形成した媒質間界面を移動させるようにした手段を設けたことにより、簡易な構成で光導波路における光放出位置の制御を行うことができる。
【００１４】
また、本発明の光学素子においては、管状のクラッド部の端部を封止する封止部のうち、少なくともいずれか一方のクラッド部内部側の面を、光を反射する鏡面とすることにより、当該鏡面で反射された光が、さらに界面からクラッド部の外部に放出され、入射光の有効利用が図られ、より強度の高い光を放出することが可能になる。
【００１５】
また、本発明の光学素子においては、管状のクラッド部を柔軟性を有する材料を用いて形成することにより、フレキシブル化が図られ、種々の形状の光学ディスプレイに利用することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照して説明するが、本発明の光学素子は以下の例に限定されるものではない。
【００１７】
図１に本発明の光学素子の基本的構成図を示す。
光学素子１００は、内部が中空の管形状のクラッド部１０と、クラッド部１０の内部の構成材であるコア部２０と、クラッド部１０の両端において内部を密閉する第１および第２の封止部１１、１２と、これら封止部１１、１２の少なくとも一方からクラッド部１０内に光Ｌを入射する光源３０とを有するものとする。
【００１８】
コア部２０は、少なくとも２以上の流動性のある媒質（図１中においては、２１、２２）がクラッド部１０内に封入された構成を有するものとし、クラッド部１０内で隣接する媒質同士の境界部に界面２３が形成されているものとする。
【００１９】
クラッド部１０の所定の位置には、内部圧力に応じて過剰の媒質を蓄える媒質溜め２４、２５が、それぞれ連結管３１、３２を介してクラッド部１０の内部と連結されてなり、これらの媒質溜め２４、２５中の媒質は、界面を移動させる手段、例えば圧力制御手段２６、２７によって加圧あるいは減圧されるようになされ、媒質２１、２２にかかる圧力に応じて、界面２３がクラッド部１０内を移動するようになされている。
【００２０】
光源３０からは、所定の波長を有する光Ｌが出射され、端面からクラッド部１０の内部の媒質に導入され、媒質２１、２２間の界面２３で散乱し、クラッド部１０の外部に光を放出される。
なお、光源３０をクラッド部１０の両端側に設けて双方から入射する構成としてもよく、一端側からのみ入射する構成としてもよい。
【００２１】
また、封止部１１、１２のクラッド部１０内部側の面を、鏡面とすることにより、かかる鏡面部で反射した戻り光をさらに界面２３で散乱させ、クラッド部１０の外部に放出させることができ、光の有効利用を図ることができる。この鏡面は、光Ｌを反射できるものであり、かつ媒質２１、２２に浸蝕されない材料、例えばアルミニウムのような金属によって形成する。
【００２２】
光学素子１００を構成するクラッド部１０は、目的とする画素の大きさに応じた径を有しするものとし、内部の媒質２１、２２に浸蝕されない材料によって形成する。例えば、ガラス、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート等、従来の光ファイバーのクラッドとして用いられている材料であれば、いかなるものも適用することができる。
【００２３】
第１の封止部１１、第２の封止部１２は、それぞれクラッド部１０の両端において内部を密閉している。光源３０をクラッド部３０の外部に配置する場合においては、第１の封止部１１、第２の封止部１２の少なくともいずれかが光導入窓になるため、光入射面側は入射光Ｌに対して透明であるものとし、例えば、上記クラッド部１０の形成材料と同様の材料によって構成する。
【００２４】
また、本発明の光学素子においては、クラッド部１０の両端部を封止部によって封止した構成に限定されるものではなく、例えば、光源３０である直接光入射用の光ファイバーをクラッド部１０の少なくとも一端から内部に挿入し、光ファイバー挿入側のクラッド部端面をシール材等により溶封した構成としてもよい。
また、本発明の光学素子においては、半導体レーザやＬＥＤ等を直接クラッド部の端部に貼り合わせた構成としてもよい。
また、本発明の光学素子は、クラッド部１０の内部を密閉した構成に限定されるものではなく、クラッド部１０の一端側のみを封止し、他の一端は開放された構成としてもよい。
【００２５】
コア部２０を構成する媒質２１、２２は、いずれも流動性を有し、入射光に対して透明で、かつ隣接する媒質同士はそれらの境界部に界面が形成される程度に相溶性が低いものを選定する。例えば、水、アルコール、トルエン等の有機溶剤、フッ素系溶剤等の液体と空気等の気体、あるいは相溶性の低い液体同士を適宜組み合わせて用いることができる。
【００２６】
クラッド部１０の屈折率をｎ１とし、コア部２０の屈折率をｎ２としたとき、これらにはｎ１＜ｎ２の関係が成立することが望ましい。これにより入射光Ｌを効果的にクラッド部１０内のコア部２０に閉じ込めることができ、光伝達の際の損失の低減化が図られる。
【００２７】
媒質溜め２４、２５は、界面２３の移動量やクラッド部１０の管径に応じた容積を有するものとする。
【００２８】
クラッド部内部の媒質間界面を移動させる手段としては、例えば内部圧力を制御する方法が挙げられる。
このとき、圧力制御手段２６、２７は、媒質２１、２２の界面を移動させる程度に充分な圧力を加えられるものであれば、いかなるものも適用することができる。例えば、ピエゾ素子を用いることにより界面２３の高速かつ微細な制御を行うことができる。
なお、これら圧力制御手段２６、２７は、一方が加圧したときには他方は減圧するようになされることが望ましいが、いずれか一方のみ配置し、他方を省略した構成としてもよい。
また、圧力制御手段２６、２７は、図１に示すように媒質溜め２４、２５に付加される構成例に限定することなく、例えばクラッド部１０の端部に配置し、直接クラッド部１０内に封入した媒質に加圧するようにしてもよい。
なお、媒質間の界面を移動させる手段は圧力制御に限定されるものではなく、その他従来公知の方法を適用することができる。
例えば本発明の光学素子において、クラッド部の一端部のみを封止し他端部が開放されている構成とした場合には、界面が静止した状態で、一の媒質をクラッド部に送り込むことによって界面を移動させることができる。
【００２９】
上記構成を有する光学素子１００においては、圧力制御手段２６、２７によって界面２３を所望の位置に移動させ、光源３０からの入射光を界面２３により散乱せしめクラッド部１０の外部に取り出すことができる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の光学素子および光学素子を用いた光学装置について、具体的な実施例を挙げて説明する。
なお本発明は下記実施例に限定されることなく、要旨を損なわない範囲で任意に変更可能である。
【００３１】
［実施例１］
図２に、本発明の光学素子の一例の概略構成図を示す。
この光学素子においては、クラッド部として直径０．５ｍｍの中空ガラス管５２、コア部を構成する媒質として空気６１と水６２を適用し、光源としてヘリウムネオンレーザ５０および光ファイバー５１を用いた。
光ファイバー５１は、ガラス管５２の一端側から管内に挿入されており、光源側のガラス管の端部はパラフィンシール５３によって封止されている。
ガラス管５２の他端には、伸縮自在のゴム球５４が、ゴム球内部の空気とガラス管内の空気６１とで連通するようにして配置されている。
ゴム球５４は、固定治具５５とアクチュエータ５６とによって挟み込まれており、これらの間隔はアクチュエータ５６に接続された制御装置によって調整できるようになされている。
すなわち、制御装置５７によってゴム球５４を圧縮、あるいは膨張させてガラス管５２内部の圧力を変化させ、ガラス管５２と媒質溜め５８とで連結管５９を介して水５２を移動させることによって、界面６３を所望の位置に移動させる。
ヘリウムネオンレーザ５０から光ファイバー５１を介してガラス管５２内に導入された光は、界面６３で散乱しガラス管外に放出される。
【００３２】
上述したような本発明の光学素子は、例えば図３に示すような光学スイッチ装置に適用することができる。すなわち、ガラス管５２を１〜ｎまでの所定間隔に区切り、ガラス管５２内部圧力を制御して所望の位置に界面６３を移動させ、かかる位置で放出される光によってスイッチのオン・オフの切り替えがなされるようにした光スイッチ装置に適用することができる。
【００３３】
［実施例２］
図４に本発明の光学素子を利用した光学装置の概略図を示す。
図４に示すように、所定の基板（図示せず）上に、図２に示したような直径約０．５ｍｍの中空ガラス管５２中に、コア部を構成する媒質の空気６１と水６２を封入した光学素子を１０本並べ、第１〜第１０の光学素子８１〜９０からなる光学素子群８０を形成した。
これらの光学素子８１〜９０においては空気６１と水６２との境界部に界面が形成されており、これらの界面はガラス管の内部圧力を調整することによって移動させることができるものとする。なお、図４においてはガラス管中の媒質に加圧する圧力制御手段の記載を省略した。
第１〜第５の光学素子８１〜８５の光源としては、ヘリウムネオンレーザ９１を用い、光ファイバー９３をそれぞれの光学素子８１〜８５の一端側から管内に挿入し、パラフィンシール（図示せず）によって封止した。
第６〜第１０の光学素子８６〜９０の光源としては、アルゴンイオンレーザ９２を用い、同様に光ファイバー９３をそれぞれの光学素子８６〜９０の一端側から管内に挿入し、パラフィンシール（図示せず）によって封止した。
圧力制御手段（図示せず）によってガラス管中の媒質６１、６２の界面の位置を所望の位置に調節し、ヘリウムネオンレーザ９１、およびアルゴンイオンレーザ９２から光ファイバー９３を介してガラス管内にレーザ光を導入すると、第１〜第５の光学素子８１〜８５中の界面からは赤の発光Ｒが取り出され、第６〜第１０の光学素子８６〜９０中の界面からは青の発光Ｂが取り出された。
それぞれの光学素子８１〜９０においては、光源９１、９２のレーザの強度を調節することによって、発光強度を調節することができる。
【００３４】
上述したように、光学素子を平面状に並べたり、あるいは図５に示すように立体状に並べることによって、平面状あるいは立体状の発光を行うことができ、画像表示装置に応用することができる。
【００３５】
また、本発明の光学素子においては、レーザ光源をクラッド部の両端に設け、それぞれのレーザ光の色を異なるものに選定することによって、色合成を行うこともでき、より精密な画像表示を行う場合に応用できる。
【００３６】
また、図１に示した本発明の光学素子１００を構成するクラッド部１０の構成材料としてプラスチック等の柔軟性を有する材料を用いることによって、図６に示すようなフレキシブルなディスプレイの実現が可能となる。例えば、湾曲した画面を有するいわゆる１２０度ディスプレイ、半球型ディスプレイ、全球型ディスプレイ、コクーン型ディスプレイ、あるいは不使用時には巻き取ることのできるディスプレイ、さらには衣料、帽子、食器（例えばコップ）向けのディスプレイ等への応用が可能である。
【００３７】
本発明の光学素子においては、画素の表示を行う際の配線構造を必要としないため、光学装置の構成を簡易化させることができ、画像表示装置の薄型化、大型化、高精度化に寄与することができる。
【００３８】
【発明の効果】
上記したように、本発明の光学素子によれば、管状のクラッド部１０の内部のコア部、すなわち光導波路中に形成した流動体の界面において高効率で光を導波路外に放出することができ、さらには流動体の界面を移動させることにより、光放出の位置を任意に制御することができた。
本発明の光学素子は電気的な配線を必要としないため、これを配列することにより簡易な構成の光スイッチや画像表示装置等の各種光学装置に応用ができた。
【００３９】
また、請求項３〜５の発明においては、クラッド部の端部の構造および光源の配置位置について種々の改変を行ったことにより、構造の簡易化や改良を行うことが可能となった。
また、請求項２の発明においては、媒質間の界面を移動させる手段を設け、請求項６の発明においては、この界面の移動をクラッド部の内部の圧力を調整して行うこととしたことにより、簡易な構成で光導波路における光放出位置の制御を行うことができた。
【００４０】
また、請求項７の発明においては、クラッド部１０の端部を封止する封止部のクラッド部１０の内部側の面を、光源から出射された光を反射する鏡面としたことにより、この鏡面で反射された光を、さらに界面からクラッド部の外部に放出させることができ、より強度の高い光を放出でき、光の有効利用が図られた。
【００４１】
また、請求項８の発明においては、クラッド部１０を柔軟性を有する材料を用いて形成することにより、フレキシブル化が図られ、種々の形状の光学装置に利用することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学素子の概略構成図を示す。
【図２】本発明の光学素子の具体的な適用例の概略構成図を示す。
【図３】本発明の光学素子を利用した光スイッチの概略構成図を示す。
【図４】本発明の光学素子を平面状に並べた光学装置の概略構成図を示す。
【図５】本発明の光学素子を立体状に並べた光学装置の概略構成図を示す。
【図６】本発明の光学素子を用いたフレキシブルなディスプレイの概略構成図を示す。
【符号の説明】
１０……クラッド部、１１……第１の封止部、１２……第２の封止部、２１、２２……媒質、２３……界面、２４，２５……媒質溜め、２６，２７……圧力制御手段、３０……光源、３１，３２……連結管、５０……ヘリウムネオンレーザ、５１……光ファイバー、５２……ガラス管、５３……パラフィンシール、５４……ゴム球、５５……固定治具、５６……アクチュエータ、５７……制御装置、５８……媒質溜め、５９……連結管、６１……空気、６２……水、６３……界面、８０……光学素子群、８１〜９０……第１〜第１０の光学素子、９１……ヘリウムネオンレーザ、９２……アルゴンネオンレーザ、９３……光ファイバー、１００……光学素子。
【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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