(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射により屈折率が変化する板状の高分子材料中に高い屈折率を持つ多数の高屈折率領域が各々独立して板の一面から他面に連続して存在するように形成されるとともに、前記各高屈折率領域が前記一面近傍での断面積よりも前記他面近傍での断面積の方が大きくなるように形成された画像拡大縮小用光学デバイスであって、
前記高屈折率領域の光の進行する方向に直交する断面の面積が、前記光の進行する方向が前記他面に対する垂線より４５°以上傾いている部分ではほぼ一定となるように前記高屈折率領域が形成されている画像拡大縮小用光学デバイス。
【請求項２】
前記板の前記一面近傍では前記各高屈折率領域の光の進行する方向が前記一面に対してほぼ垂直となるように前記各高屈折率領域が形成されている請求項１記載の画像拡大縮小用光学デバイス。
【請求項３】
前記板の前記他面近傍では前記各高屈折率領域の光の進行する方向が前記他面に対してほぼ垂直となるように前記各高屈折率領域が形成されている請求項１又は２記載の画像拡大縮小用光学デバイス。
【請求項４】
前記高屈折率領域の光の進行する方向に直交する断面の面積が、途中で前記一面側での面積よりも小さくなった部分を経て前記他面側で拡大するように前記高屈折率領域が形成されている請求項１，２又は３記載の画像拡大縮小用光学デバイス。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一に記載の画像拡大縮小用光学デバイスと、この画像拡大縮小用光学デバイスの板の一面側に配設されたディスプレイと、を備える画像拡大表示装置。
【請求項６】
請求項１ないし４の何れか一に記載の画像拡大縮小用光学デバイスと、この画像拡大縮小用光学デバイスの板の一面側に配設された２次元固体撮像素子と、を備える画像縮小読取装置。
【請求項７】
板状の材料中に高い屈折率を持つ多数の高屈折率領域が各々独立して板の一面から他面に連続して存在するとともに、前記各高屈折率領域が前記一面近傍での断面積よりも前記他面近傍での断面積の方が大きく、前記高屈折率領域の光の進行する方向に直交する断面の面積が、前記光の進行する方向が前記他面に対する垂線より４５°以上傾いている部分ではほぼ一定となるように、前記高屈折率領域が形成されている画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法であって、前記板状の材料として光照射により屈折率が変化する高分子材料を用い、この高分子材料に光を照射することにより板状の高分子材料中に多数の高屈折率領域が各々独立して存在する屈折率分布のパターンを形成することにより前記画像拡大縮小用光学デバイスを作製するようにした画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法。
【請求項８】
高屈折率領域が２次元的に各々独立して存在する屈折率分布のパターンを有する高分子材料による複数枚の薄板を順次作製し、これらの複数枚の薄板を前記２次元の屈折率分布のパターンが３次元の屈折率分布のパターンとなるように積層させるようにした請求項７記載の画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法。
【請求項９】
高屈折率領域が２次元的に各々独立して存在する屈折率分布のパターンを高分子材料による薄板に形成するための１枚のマスクを用い、薄板毎にレンズにより前記マスクの像を変倍しながら光照射して２次元的に相似となる屈折率分布のパターンが形成された複数枚の薄板を順次作製し、これらの複数枚の薄板を相似となる２次元的な屈折率分布のパターンが連続するように位置合せしながら前記高屈折率領域の面積の小さい順に積層させて結合させることにより１枚の板を作製するようにした請求項７又は８に記載の画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、液晶プロジェクタ等のディスプレイの画像を拡大して表示させる画像表示装置における拡大光学系等として用いられる画像拡大縮小用光学デバイス、その作製方法、画像拡大縮小用光学デバイスを用いた画像拡大表示装置及び画像縮小読取装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報を表示する表示装置は、大別すると、フラットパネルディスプレイと呼ばれるパソコン用液晶モニタなどの等倍型表示装置と背面投影型液晶テレビなどの拡大投影型表示装置との２種類がある。
【０００３】
等倍型表示装置はディスプレイの厚みを薄くでき、設置に必要なスペースが少なくて済むという利点を有するが、大きな画面、例えば３０型以上のサイズの画面を得ようとする場合、製造工程の複雑さ、歩留まりの悪さなどからコストが高くなってしまうと言う欠点を持っている。一方、拡大投影型表示装置は５０型以上の大きな表示サイズを等倍型表示装置に比べ安価で提供できるという利点を有するが、ディスプレイの厚みを等倍型表示装置と同じように薄くすることは原理上難しく、設置に必要なスペースが広くなってしまうと言う欠点を持っている。
【０００４】
既存の液晶テレビなどの拡大投影型表示装置ではレンズやミラーを使った拡大光学系の技術が使われている。
【０００５】
それ以外では、例えば、図９に示すように、小さな画像に対して光ファイバ５１を整列させて並べその光ファイバ５１を離散的に配置させることにより画像を拡大する方法（特開平５−８８６１７号公報参照）がある。即ち、光ファイバ５１の束を用いた画像拡大手段５２と、液晶、フィルム等の画像素体５３との間に光ファイバ５４の束からなる画像整合手段５５を介在させ、光ファイバ５４の束の一端を集束させて画像素体５３に対向させ、光ファイバ５４の束の他端を画像拡大手段５２の入光部５６の全体に対向するように少し拡開させたものである。これにより、画像素体５３に表示された画像は画像整合手段５５で入光部５６に見合った大きさに拡大されて入光部５６に投影される。
【０００６】
また、図１０に示すように、ファイバ集合体を斜めに切断したブロックを複数個使用することにより画像を拡大する方法（特開平６−５１１４２号公報参照）もある。即ち、光ファイバを複数本束ね、第１端面（光の入射面）６１ａ，６２ａを垂直方向に切断し、かつ、第２端面（光の出射面）６１ｂ，６２ｂを拡大用に斜めに切断して光ファイバ集合体６１，６２を形成し、第２端面６１ｂと第１端面６２ａとを連続するように接続したものである。これにより、各々の第１端面６１ａ，６２ａから入射した画像は第２端面６１ｂ，６２ｂから拡大されて出射される。よって、例えば液晶パネル６３の表示部６４の表示画像を光ファイバ集合体６１，６２で順次拡大して表示させることができる。
【０００７】
さらに、図１１に示すように、複数の液晶表示パネル７１ａ，７１ｂ，…，７１ｎからなる表示装置７１のパネル間の継ぎ目を無くすために光ファイバ７２を用いて画像を表示パネル７３に伝送させる方法（特開平９−２５２４４４号公報参照）もある。
【０００８】
また、図１２に示すようにテーパ状の光ファイバによる光導光路８１を映像スクリーン板８２に配列させて、液晶ユニット８３の画素の表示サイズを拡大する方法（特開平７−４３７０２号公報参照）もある。８４はバックライトである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平５−８８６１７号公報に示されるような構成による場合、表示全体の面積は拡大されるが、集合していた画素が離散的に配置されたことに留まっており、本来の目的である表示画素自体が拡大して投影される構成にはなっていないという欠点がある。
【００１０】
特開平６−５１１４２号公報に示されるような構成による場合、複数のファイバ集合体６１，６２を組合せて用いているが、一つのファイバ集合体６１と他のファイバ集合体６２とを結合させる際、光を最初のファイバ集合体６１から次のファイバ集合体６２に効率よく伝送させる方法が難しいこと、また、２つのファイバ集合体６１，６２を接着させるための位置合わせはファイバ径が細い場合、非常に難しいなどの光カップリング及び製造上の問題点がある。
【００１１】
特開平９−２５２４４４号公報に示されるような構成による場合、薄型で継ぎ目のない大画面表示装置を小さな画面の表示装置を組合せることによって実現できると言うメリットを有するものの、基本的には特開平５−８８６１７号公報の場合と同様に表示画素自体が拡大して投影される構成にはなっておらず、画像を拡大したことにはならないと言う欠点を有する。
【００１２】
さらに、特開平７−４３７０２号公報に示されるような構成による場合、１画素毎の表示サイズは拡大されるが画素位置と表示位置の法線方向の位置が一致しているため画像全体のサイズは大きくなっておらず、画像を拡大したことにはならないと言う欠点を有する。
【００１３】
また、上述したような従来技術の他に、金属の貫通孔を用いて画像を拡大する技術（特開平５−８０３１９号公報参照）、金属の反射板を用いて画像を拡大する技術（特開平７−２９４７５７号公報参照）が提案されている。しかし、金属面での反射による光伝達を用いる方式は、光ファイバや導光路を用いる光伝達方式と異なり、金属面での反射による光の損失が大きく、実用には適さない。
【００１４】
また、ファクシミリ、イメージスキャナ、デジタル複写機等の画像読取装置の需要の増加とともに、画像情報を電気信号に変換するイメージセンサ（ＣＣＤ）の小型化が要望され、小型の画像縮小デバイスが求められている。例えば、幅が広い原稿から読み取った１次元画像を小さな１次元ＣＣＤデバイスに伝達する方法としてテーパ状の光導波路を原稿面に並べ、ＣＣＤとの結合面では細い光導波路で結合させる方法（特開平９−３７０３８９号公報参照）が提案されている。この方式は、１次元画像の拡大／縮小方式としては適しているが、このようなデバイスを単に並べても２次元画像の拡大／縮小を行うことはできない。
【００１５】
さらに、レンズを用いずに画像を拡大する製品としては虫眼鏡の代わりに小さな文字を拡大する拡大鏡が米国テーパービジョン社から“ＴaperＭag”と言う商品名で販売されている。この拡大鏡の原理は多数の光ファイバを高密度に束ね、溶融させてテーパ状に加工したものである。ところが、ガラスファイバを束ねて加工しているため、１００ｍｍ2以上の大型の表示面積を得ることが難しい。また、加工上の問題からテーパ状に加工する場合のテーパ角を大きくすることが難しく、例えば３０型程度の表示画面を得ようとする場合、デバイスの厚みを３０ｃｍ以下にすることができない。
【００１６】
また、光ファイバ等の光導波路の作製方法に関しても、これまで、様々な方法が報告されている。しかし、単一のファイバや１次元のファイバアレイの作製方法であり、２次元状のアレイであって、３次元の複雑な形状をした光導波路の作製方法法に関する報告は皆無である。例えば、特開平１１−３２６６６０号公報には、光硬化性樹脂に対して光導入口から特定の光を入射し、光軸に従って導光路を形成する製法が開示されている。この作製方法は単純に１本の導光路を作製するものに過ぎず、複数の光導波路による２次元状の光学デバイスの作製に関しては全く言及されていない。また、特開平５−１５７９２３号公報にはガラス中にイオンを電界により導入し、立体光導波路を作製する方法が開示されているが、複雑な構造体を作製するには現実的でない。
【００１７】
そこで、本発明は、画像全体の拡大及び画素サイズ自体の拡大或いは逆に画像全体の縮小及び画素サイズ自体の縮小を従来のプロジェクション方式を用いずに薄型で実現できる画像拡大縮小用光学デバイス、その作製方法及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の画像拡大縮小用光学デバイスは、光照射により屈折率が変化する板状の高分子材料中に高い屈折率を持つ多数の高屈折率領域が各々独立して板の一面から他面に連続して存在するように形成されるとともに、前記各高屈折率領域が前記一面近傍での断面積よりも前記他面近傍での断面積の方が大きくなるように形成されている。前記画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、前記高屈折率領域の光の進行する方向に直交する断面の面積が、前記光の進行する方向が前記他面に対する垂線より４５°以上傾いている部分ではほぼ一定となるように前記高屈折率領域が形成されている。
【００１９】
従って、高屈折率領域に入射した光のうち、その周囲の低屈折率領域との界面で全反射条件を満たす光は板の厚さ方向に連続する高屈折率領域内を一面側から他面側、又は、他面側から一面側に向かって伝搬する。このとき、各高屈折率領域の断面積が一面側と他面側とで異なるため、一面側から入射させた光であれば他面側から拡大された形で出射することとなり、画像の拡大表示等が可能となる。逆に、他面側から入射させた光であれば一面側から縮小された形で出射することとなり、画像の縮小読取等が可能となる。この際、板の材料として高分子材料を用いているので、光照射を利用して高屈折率領域の屈折率分布を容易に作製することができ、薄型・軽量で低コストな画像拡大縮小用光学デバイスを提供できる。また、光の進行する方向が他面に対する垂線より４５°以上傾いている部分、即ち、板厚に影響する部分では高屈折率領域の断面積がほぼ一定となるように形成されてその断面積の増加がないため、デバイスを薄型化できる。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、前記板の前記一面近傍では前記各高屈折率領域の光の進行する方向が前記一面に対してほぼ垂直となるように前記各高屈折率領域が形成されている。
【００２１】
従って、一面側から入射する画像光が指向性を有する場合の各高屈折率領域への入射効率をほぼ均等に向上させることができる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、前記板の前記他面近傍では前記各高屈折率領域の光の進行する方向が前記他面に対してほぼ垂直となるように前記各高屈折率領域が形成されている。
【００２３】
従って、他面側において各高屈折率領域から出射する出射光の進行方向を他面に対してほぼ垂直となるように設定することで、拡大表示される画像の視野角依存性を均一化させることができ、表示画像の品質を向上させることができる。特に、請求項２記載の発明と組合せることにより、画像が明るく視野角依存性が均一化された拡大画像を表示させることができる。
【００２６】
その他の発明としては、請求項１，２又は３記載の画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、前記高屈折率領域の光の進行する方向に直交する断面の面積が、前記板状材料の前記他面近傍から拡大が徐々に起こり前記他面に向けて拡開するテーパ状となるように前記高屈折率領域が形成されている。
【００２７】
従って、高屈折率領域の断面積の増加に関して、拡大側となる他面近傍から拡大が徐々に起こり他面に向けて拡開するテーパ状となるように形成されているので、単純形状で済みデバイス厚みを薄くできる上に低コスト化を図ることができる。
【００２８】
請求項４記載の発明は、請求項１，２又は３記載の画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、前記高屈折率領域の光の進行する方向に直交する断面の面積が、途中で前記一面側での面積よりも小さくなった部分を経て前記他面側で拡大するように前記高屈折率領域が形成されている。
【００２９】
従って、高屈折率領域の断面積の増加に関して、途中で縮小側である一面側での面積よりも小さくなった部分を経て拡大側である他面側で拡大するように形成されているので、デバイスの薄型化を図る上で有効な構成となる。
【００３０】
請求項５記載の発明の画像拡大表示装置は、請求項１ないし４の何れか一に記載の画像拡大縮小用光学デバイスと、この画像拡大縮小用光学デバイスの板の一面側に配設されたディスプレイと、を備える。
【００３１】
従って、画像自体の拡大及び画素サイズ自体の拡大を従来のプロジェクション方式を用いることなく薄型構造で実現できる画像拡大表示装置を提供できる。
【００３２】
請求項６記載の発明の画像縮小読取装置は、請求項１ないし４の何れか一に記載の画像拡大縮小用光学デバイスと、この画像拡大縮小用光学デバイスの板の一面側に配設された２次元固体撮像素子と、を備える。
【００３３】
従って、画像自体の縮小及び画素サイズ自体の縮小を薄型構造で実現できる２次元的な画像縮小読取装置を提供できる。
【００３４】
請求項記載の発明は、板状の材料中に高い屈折率を持つ多数の高屈折率領域が各々独立して板の一面から他面に連続して存在するとともに、前記各高屈折率領域が前記一面近傍での断面積よりも前記他面近傍での断面積の方が大きく、前記高屈折率領域の光の進行する方向に直交する断面の面積が、前記光の進行する方向が前記他面に対する垂線より４５°以上傾いている部分ではほぼ一定となるように前記高屈折率領域が形成されている画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法であって、前記板状の材料として光照射により屈折率が変化する高分子材料を用い、この高分子材料に光を照射することにより板状の高分子材料中に多数の高屈折率領域が各々独立して存在する屈折率分布のパターンを形成することにより前記画像拡大縮小用光学デバイスを作製するようにした。
【００３５】
従って、板の材料として高分子材料を用いているので、光照射を利用して高屈折率領域の屈折率分布を容易に作製することで、薄型・軽量な請求項１記載の発明の画像拡大縮小用光学デバイスを低コストで簡単に作製することができる。
【００３６】
請求項８記載の発明は、請求項９記載の画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法において、高屈折率領域が２次元的に各々独立して存在する屈折率分布のパターンを有する高分子材料による複数枚の薄板を順次作製し、これらの複数枚の薄板を前記２次元の屈折率分布のパターンが３次元の屈折率分布のパターンとなるように積層させるようにした。
【００３７】
従って、２次元的な屈折率分布のパターンを有する複数枚の薄板を積層させることにより３次元の屈折率分布のパターンを持つデバイスを作製するので、多数のファイバを束ねる作製方法・構造ではないため、一面側の画像と他面側の画像との対応関係の維持が容易となり、適正なる画像の拡大又は縮小が可能となる。
【００３８】
請求項９記載の発明は、請求項７又は８に記載の画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法において、高屈折率領域が２次元的に各々独立して存在する屈折率分布のパターンを高分子材料による薄板に形成するための１枚のマスクを用い、薄板毎にレンズにより前記マスクの像を変倍しながら光照射して２次元的に相似となる屈折率分布のパターンが形成された複数枚の薄板を順次作製し、これらの複数枚の薄板を相似となる２次元的な屈折率分布のパターンが連続するように位置合せしながら前記高屈折率領域の面積の小さい順に積層させて結合させることにより１枚の板を作製するようにした。
【００３９】
従って、レンズにより１枚のマスクの像を変倍しながら光照射するので、多数のマスクがいらず、１枚のマスクで容易に作製することができ、より量産性に適した低コストな方法で画像拡大縮小用光学デバイスを作製することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図３に基づいて説明する。まず、図１は本発明の画像拡大縮小用光学デバイス１の原理的構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【００４１】
本実施の形態の画像拡大縮小用光学デバイス１は、基本的に光照射、特に紫外線照射により屈折率が変化する有機材料（高分子材料）による板２をベースとして板状に構成されている。このような板２に関して図１（ｂ）に示す下面側を一面＝縮小面３側とし、図１（ａ）に示す上面側を他面＝拡大面４側とする。画像拡大縮小用光学デバイス１は、板２中に周囲よりも高い屈折率を持つ多数の高屈折率領域５を各々独立させて縮小面３側から拡大面４側に連続して存在するように形成してなる。隣接する高屈折率領域５間は板２の材料による低屈折率領域６とされるが、隣接する高屈折率領域５間の間隔は極力狭く形成されている。また、図１（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、各高屈折率領域５の板２の厚さ方向に垂直な面における断面積は、縮小面３近傍の断面積よりも拡大面４側の断面積の方が所望の比率に応じて大きくなるように設定されている。この際、図１（ａ）（ｂ）に示すように、縮小面３での各高屈折率領域５の相対的な位置関係が拡大面４での各高屈折率領域５の相対的な位置関係においても維持され、かつ、縮小面３近傍での断面積と拡大面４近傍での断面積との比が、各高屈折率領域５について同じ値となるように設定されている（厳密に同じである必要はなく、ほぼ同じであればよい）。
【００４２】
このような本実施の形態の画像拡大縮小用光学デバイス１は例えば画像拡大表示装置７に適用する場合には、図２に示すように拡大前の画像を表示するディスプレイ８の前面に縮小面３側が位置するように配設させて用いられる。ディスプレイ８としては、小型の液晶ディスプレイ、小型のエレクトロルミネッセンスディスプレイ、或いは、小型のＣＲＴディスプレイ等が用いられる。拡大面４側前面に画像拡大表示装置７の拡大表示面９が位置する。
【００４３】
このような構成において、ディスプレイ８の表示画像に応じて出射された光は、縮小面３側から高屈折率領域５に入射する。入射した光のうち、高屈折率領域５と低屈折率領域６との界面で全反射条件を満たす光は、図２中に示すように全反射を繰返しながら拡大面４側に向かって伝搬する。ここに、高屈折率領域５は拡大面４側の断面積の方が縮小面３側の断面積よりも大きいため、縮小面３側から入射した画素情報は拡大面４側において拡大される形で出射され、拡大表示面９において拡大表示されることとなる。即ち、画像全体の拡大及び画素サイズ自体の拡大がなされる。
【００４４】
このとき、本実施の形態では、縮小面３における各高屈折率領域５の相対的な位置関係が拡大面４においても維持されているため、画像を拡大伝達するという特性が確保される。同時に、高屈折率領域５の縮小面３近傍での断面積と拡大面４近傍での断面積との比が、各高屈折率領域５についてほぼ同じ値となるように設定されているため、入・出射側の比率に関する対応関係を維持できるため、画像を歪みなく拡大伝達するという特性も確保される。
【００４５】
ここで、本実施の形態では画像を拡大又は縮小する際の光路長を従来技術に比べ、薄くできるという特長を有している。即ち、前述したような「TaperMag」の商品名で市販されている商品はガラスファイバを束ねて加工しているため、加工上の問題からテーパ状に加工する場合のテーパ角を大きくすることが難しい。従って、拡大するための板２の厚みを拡大面４の対角長より短くすることはできない。これに対して、本実施の形態においては、一般論として、図３に示すように、或る１つの高屈折率領域５を考えた場合、光の進行する方向と板２の法線方向とのなす角度を大きくとれるため、画像を拡大する際の板２の厚みを小さく（薄く）することができる。
【００４６】
このとき、高屈折率領域５は拡大面４近傍で拡大面４側に拡開するテーパ状であり、かつ、光の進行方向と板２の法線方向とのなす角度が４５°以上をとる部分（即ち、板厚に影響する部分）に関しては図３に示すように高屈折率領域５の光の進行する方向と垂直な断面の面積がほぼ一定となるように形成すれば、板２の厚みを必要最小限に抑えることができる。さらに、光の進行方向と板２の法線方向とのなす角度が４５°以上をとる部分（即ち、板厚に影響する部分）に関しては、特に図示しないが、高屈折率領域５の光の進行する方向と垂直な断面の面積を一旦、縮小面３側の断面積よりもさらに小さくなるように形成して拡大面４側で拡大されるように形成することにより、板２の厚みをさらに抑えることが可能となる。ただし、波長分散を抑えるため、断面積は最低でも１μｍ2以上とすることが望ましい。
【００４７】
ところで、詳細は後の実施例中で説明するが、本実施の形態のような画像拡大縮小用光学デバイス１の作製方法の概要について説明する。本実施の形態では、板２の材料として光により屈折率分布が変化する高分子材料を用い、２次元状の屈折率分布を有するパターンを積層させることにより３次元の屈折率分布を持つ画像拡大縮小用光学デバイス１を作製する。
【００４８】
前述したように、光により屈折率が変化する高分子材料に関しては、例えば特許２９１４４８６号にフォトブリーチングによる光ファイバの製造法として開示されているが、３次元の複雑な導光路の作製法に関しては全く記載されていない。また、特開２０００−４７０４６号公報には２光子吸収を用い、３次元の導光路を形成することに関して言及しているが、レーザ光を用いなくてはならず、本実施の形態で要求される画像拡大縮小用光学デバイス１を作製するにはかなり複雑な操作が必要であり現実的でない。
【００４９】
この点、本実施の形態の作製方法によれば、マスクを用い一括で露光するため容易に高屈折率領域５の屈折率分布のパターンを形成することができる、さらに、図１に示した高屈折率領域５の縮小面３と平行な面の断面が下面（縮小面３）から上面（拡大面４）まで相似形な構成であれば、１枚のマスクを用いレンズで結像位置を変えることにより全ての屈折率分布のパターンが形成できるため、極めて容易に３次元構造の画像拡大縮小用光学デバイス１を作製することができる。また、ファイバを作製し、そのファイバ群を束ねるという従来方法等に比べ、多数のファイバを束ねる必要がないため、容易に縮小面３側画像と拡大面４側画像との対応関係を確保することができる。
【００５０】
なお、特に図示しないが、図２に示した場合とは逆の構成、即ち、拡大面４側を画像光の入射側として設定し、縮小面３側に例えば２次元ＣＣＤ等の２次元固体撮像素子を配設させれば、画像光を縮小させて読み取る画像縮小読取装置として構成することもできる。
【００５１】
本発明の第二の実施の形態を図４及び図５に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。本実施の形態では、まず、図４に示すように、板２の縮小面３近傍では、高屈折率領域５の光の進行する方向（入射方向）が縮小面３に対してほぼ垂直となるようにこの高屈折率領域５が形成されている。即ち、光の入射方向と板２の法線方向とのなす角度が極力小さくなるように設定されている。また、図５に示すように、板２の拡大面４近傍では、高屈折率領域５の光の進行する方向（出射方向）が拡大面４に対してほぼ垂直となるようにこの高屈折率領域５が形成されている。即ち、光の出射方向と板２の法線方向とのなす角度が極力小さくなるように設定されている。
【００５２】
例えば、図２に示したような画像拡大表示装置７に適用する場合、ディスプレイ８の画素から出射する光には或る程度の指向性があるため、元画像の入射する縮小面３近傍においては、本実施の形態のように、光の入射する方向と板２の法線方向とのなす角度の大きさが全ての高屈折率領域５でほぼ同じであることが望ましい。これにより、各高屈折率領域５への画像光の取り込み効率が均一に向上し、明るい画像が得られる。このような事情は画像光の出射側、即ち、拡大面４側においても同じであり、拡大表示される画像の視野角依存性を全ての高屈折率領域５について均一にするためには、図５に示すように、光の出射する方向と板２の法線方向とのなす角度の大きさが全ての高屈折率領域５でほぼ同じであることが望ましい。
【００５３】
よって、本実施の形態によれば、縮小面３側から入射する画像光が指向性を有する場合の各高屈折率領域５への入射効率をほぼ均等に向上させることができる上に、拡大表示される画像の視野角依存性を均一化させることができ、表示画像の品質を向上させることができる。
【００５４】
【実施例】
前述したような構造の画像拡大縮小用光学デバイス１に関して、その特長的な構成例の効果を裏付けるための実験を伴う実施例について、その作製方法を併せて以下に説明する。
【００５５】
［実施例１］
ステップ１：
３−ヒドロキシフタル酸無水物を側鎖にもつ高分子材料であるＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）ポリマをＴＨＦに溶かし、スピンコートで厚さ２０μｍの試料を作製した。
【００５６】
このサンプルに、図６に示すような装置構成で、マスクとして液晶シャッタ１１を用い、マスク中心とサンプル台１２上のＰＭＭＡポリマ薄膜１３の中心を一致させ、液晶シャッタ１１をＰＭＭＡポリマ薄膜１３と近接させ液晶シャッタ１１の裏面からＵＶランプ１４により２５０ｎｍの波長の紫外線を照射した。液晶シャッタ１１は画素数が１０２４×７６８のものを用い、あらゆるマスクパターンを形成できるものとした。紫外線を照射する際のＰＭＭＡポリマ薄膜１３の温度は８０℃、紫外線の照射強度はサンプル上で３００ｍＷ／ｃｍ2、照射時間は９００秒とした。ＰＭＭＡポリマ薄膜１３の紫外線が照射された部分はフォトブリーチングを起こし、屈折率が低下した。屈折率を測定したところ、液晶シャッタ１１によるマスクパターンに対応した２次元的な屈折率分布のパターンが作製され、屈折率差は約０．０１５であった。
【００５７】
ステップ２：
ステップ１で作製された薄膜１３の上に、さらにスピンコートで厚さ２０μｍの３−ヒドロキシフタル酸無水物を側鎖に持つＰＭＭＡポリマ試料を作製した。ステップ１で作製した屈折率分布のパターンと中心位置が合うように位置合わせを行い、ステップ１と同じ方法でさらにフォトブリーチングを行い、厚さ４０μｍの屈折率分布のパターンを持つ薄膜を作製した。
【００５８】
ステップ３：
液晶シャッタ１１のマスクパターンを適当に変化させながらステップ２を繰り返し、縮小面３側は正方形パターンの一辺の長さは５０μｍ、拡大面４側で１００μｍとなる３次元の屈折率分布のパターンを作製し、縮小面３及び拡大面４近傍では、各高屈折率領域５の光の進行方向は各々縮小面３、拡大面４に対しほぼ垂直となっており（図４及び図５参照）、高屈折率領域５の光の進行する方向と垂直な断面の面積は、光の進行方向が拡大面４の垂線より４５°以上傾いている部分では一定で一辺が５０μｍとし、この高屈折率領域５の断面積は、拡大面４近傍でテーパ状に拡大し、図７に示すような２００×２００の分離された高屈折率領域５を有する厚さ８ｍｍの３次元導光路構造の画像拡大縮小用光学デバイス１を作製した。このサンプルをサンプルＮｏ．１とする。
【００５９】
［実施例２］
実施例１において、マスクとして図８に示すような２００行×２００列の正方形パターンを有する１枚のマスク１６を用い、レンズ（図示せず）を用いてこのマスク１６のパターンをＰＭＭＡによる薄膜上に結像させた。結像させるマスク像を各薄板毎に変倍させながら、相似なパターンを重ねることで画像拡大縮小用光学デバイス１を作製した。
【００６０】
即ち、実施例１のステップ２の場合と同様に、スピンコートで薄膜を積層させる形で順次作製し、レンズで結像する正方形パターンの一辺の長さを５０μｍとして１００回、５０．５μｍから９９．５μｍまで０．２５μｍずつ長さを変化させて１９６回、１００μｍとして１００回繰り返した。
【００６１】
これにより、２００×２００の分離された高屈折率領域５を有し、高屈折率領域５の縮小面３側での断面積より拡大面４側での断面積が大きい３次元構造の画像拡大縮小用光学デバイス１が作製できた。このサンプルをサンプルＮｏ．２とする。
【００６２】
［実施例３］
実施例１において、高屈折率領域５の光の進行方向が拡大面４及び縮小面３と平行となる部分で、高屈折率領域５の一辺が２０μｍとなるように高屈折率領域５の断面を縮小し、拡大面４近傍で再び拡大するような断面構造を持つ３次元構造の画像拡大縮小用光学デバイス１を作製した。このサンプルをサンプルＮｏ．３とする。
【００６３】
［実施例４］
実施例１において、マスクとして図８に示すような２００行×２００列の正方形パターンを有する１枚のマスク１６を用い、レンズ（図示せず）を用いて結像させるマスク像を変倍することにより、相似なパターンを重ねることで画像拡大縮小用光学デバイス１を作製した。
【００６４】
即ち、実施例１のステップ２の場合と同様に、スピンコートで薄膜を積層させる形で順次作製し、レンズで結像する正方形パターンの一辺の長さを５０μｍから１００μｍまで０．２５μｍずつ長さを変化させて２００回繰り返した。
【００６５】
これにより、２００×２００の分離された高屈折率領域５を有し、高屈折率領域５の縮小面３側での断面積より拡大面４側での断面積が大きい３次元構造の画像拡大縮小用光学デバイス１が作製できた。このサンプルをサンプルＮｏ．４とする。
【００６６】
［作製サンプルの評価結果］
以上Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のサンプルについて、
▲１▼画像の明るさ、
▲２▼画像の明るさの均一性
▲３▼デバイスの厚み
▲４▼作製の容易性
に関する評価を行った。評価結果を表１に示す。表１中の○、×は下記の基準で評価した。拡大する前の画像としては透明フィスム上に作成したＩＴＥテストチャートをカラービュアーで投射した画像を用いた。明るさに関しては、拡大前の画像の明るさ(ｃｄ／ｃｍ2)÷拡大後の画像の明るさ(ｃｄ／ｃｍ2)×拡大倍率（面積比）が、３．０未満を○、３．０以上を×とする。明るさの均一性に関しては、画像の明るさ(ｃｄ／ｃｍ2)の均一性が±３０％未満であれば○、±３０％以上であれば×とした。
【００６７】
【表１】
0003992913.tif 000002
【００６８】
デバイス作製の容易性に関しては、サンプルＮｏ．２，Ｎｏ．４が１枚のマスク１６を用いるだけで全ての屈折率分布のパターンを作製できるので、好適といえる。しかし、サンプルＮｏ．４は、光の入射面と出射面とが縮小面３、拡大面４に対して垂直となっていないため、表１に示すように、明るさ及び明るさの均一性がともに悪い結果となっている。また、サンプルＮｏ．１，Ｎｏ．２に比べ、サンプルＮｏ．３では高屈折率領域５の光の進行方向と垂直な断面積を途中で一旦小さくしているので、デバイス厚みを約半分程度に薄型化できることが分かる。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の画像拡大縮小用光学デバイスによれば、高屈折率領域に入射した光のうち、その周囲の低屈折率領域との界面で全反射条件を満たす光は板の厚さ方向に連続する高屈折率領域内を一面側から他面側、又は、他面側から一面側に向かって伝搬するが、各高屈折率領域の断面積が一面側と他面側とで異なるため、一面側から入射させた光であれば他面側から拡大された形で出射することとなり、画像の拡大表示等が可能となり、逆に、他面側から入射させた光であれば一面側から縮小された形で出射することとなり、画像の縮小読取等が可能となる。この際、板の材料として高分子材料を用いているので、光照射を利用して高屈折率領域の屈折率分布を容易に作製することができ、薄型・軽量で低コストな画像拡大縮小用光学デバイスを提供することができる。また、この画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、高屈折率領域の光の進行する方向に直交する断面の面積が、光の進行する方向が他面に対する垂線より４５°以上傾いている部分ではほぼ一定となるように高屈折率領域が形成されているので、光の進行する方向が他面に対する垂線より４５°以上傾いている部分、即ち、板厚に影響する部分では高屈折率領域の断面積がほぼ一定となるように形成されその断面積の増加がないため、デバイスを薄型化することができる。
【００７０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、板の一面近傍では各高屈折率領域の光の進行する方向が一面に対してほぼ垂直となるように各高屈折率領域が形成されているので、一面側から入射する画像光が指向性を有する場合の各高屈折率領域への入射効率をほぼ均等に向上させることができる。
【００７１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、板の他面近傍では各高屈折率領域の光の進行する方向が他面に対してほぼ垂直となるように各高屈折率領域が形成されているので、他面側において各高屈折率領域から出射する出射光の進行方向を他面に対してほぼ垂直となるように設定することで、拡大表示される画像の視野角依存性を均一化させることができ、表示画像の品質を向上させることができる。特に、請求項２記載の発明と組合せることにより、画像が明るく視野角依存性が均一化された拡大画像を表示させることができる。
【００７３】
その他の発明によれば、請求項１，２又は３記載の画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、高屈折率領域の断面積の増加に関して、拡大側となる他面近傍から拡大が徐々に起こり他面に向けて拡開するテーパ状となるように形成されているので、単純形状で済みデバイス厚みを薄くできる上に低コスト化を図ることができる。
【００７４】
請求項４記載の発明によれば、請求項１，２又は３記載の画像拡大縮小用光学デバイスにおいて、高屈折率領域の断面積の増加に関して、途中で縮小側である一面側での面積よりも小さくなった部分を経て拡大側である他面側で拡大するように形成されているので、デバイスの薄型化を図る上で有効な構成となる。
【００７５】
請求項５記載の発明の画像拡大表示装置によれば、請求項１ないし４の何れか一に記載の画像拡大縮小用光学デバイスを利用しているので、画像自体の拡大及び画素サイズ自体の拡大を従来のプロジェクション方式を用いることなく薄型構造で実現できる画像拡大表示装置を提供することができる。
【００７６】
請求項６記載の発明の画像縮小読取装置によれば、請求項１ないし４の何れか一に記載の画像拡大縮小用光学デバイスを利用しているので、画像自体の縮小及び画素サイズ自体の縮小を薄型構造で実現できる２次元的な画像縮小読取装置を提供することができる。
【００７７】
請求項７記載の発明によれば、板の材料として高分子材料を用いているので、光照射を利用して高屈折率領域の屈折率分布を容易に作製することで、薄型・軽量な請求項１記載の発明の画像拡大縮小用光学デバイスを低コストで簡単に作製することができる。
【００７８】
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法において、２次元的な屈折率分布のパターンを有する複数枚の薄板を積層させることにより３次元の屈折率分布のパターンを持つデバイスを作製するようにしたので、多数のファイバを束ねる作製方法・構造ではないため、一面側の画像と他面側の画像との対応関係の維持が容易となり、適正なる画像の拡大又は縮小が可能となる。
【００７９】
請求項９記載の発明によれば、請求項７又は８に記載の画像拡大縮小用光学デバイスの作製方法において、レンズにより１枚のマスクの像を変倍しながら光照射するようにしたので、多数のマスクがいらず、１枚のマスクで容易に作製することができ、より量産性に適した低コストな方法で画像拡大縮小用光学デバイスを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の画像拡大縮小用光学デバイス構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【図２】拡大画像表示装置の原理的構成例を示す断面図である。
【図３】１つの高屈折率領域を抽出してその構造原理を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態の画像拡大縮小用光学デバイスに関する１つの高屈折率領域を抽出してその入射側の構造原理を示す模式的な断面図である。
【図５】その出射側の構造原理を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施例における作製方法で用いる作製装置構造を示す概略正面図である。
【図７】本発明の実施例における作製方法で用いる薄板の積層方法を説明するための平面図である。
【図８】本発明の実施例における作製方法で用いるマスク形状を示す平面図である。
【図９】第１の従来例を示す斜視図である。
【図１０】第２の従来例を示す断面構造図である。
【図１１】第３の従来例を示す概略構成図である。
【図１２】  第４の従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１      画像拡大縮小用光学デバイス
２      板
３      一面
４      他面
５      高屈折率領域
７      画像拡大表示装置
８      ディスプレイ
１６      マスク
【図１】
0003992913.tif 000003
【図２】
0003992913.tif 000004
【図３】
0003992913.tif 000005
【図４】
0003992913.tif 000006
【図５】
0003992913.tif 000007
【図６】
0003992913.tif 000008
【図７】
0003992913.tif 000009
【図８】
0003992913.tif 000010
【図９】
0003992913.tif 000011
【図１０】
0003992913.tif 000012
【図１１】
0003992913.tif 000013
【図１２】
0003992913.tif 000014