CN1711493A - 显示元件以及使用该显示元件的显示装置 - Google Patents

Abstract

提供一种具有光源和传播从该光源发射的光的波导管的显示元件，其中从波导管侧面将在该波导管中传播的光提取到外部，且其中通过改变该波导管侧面的形状来从该波导管侧面将光提取到该波导管之外。

Description

显示元件以及使用该显示元件的显示装置

技术领域

本发明涉及显示元件和使用这些显示元件的显示装置，其中通过从波导管的一个侧面提取由该波导管传播的光来进行显示。

发明背景

例如，在JP H7-287176A(具体参见第6-7页和图1-20)和JPH11-202222A(具体参见第3-4页，段落(0010)和图2)中公开了其中从波导管的侧面提取由波导管传播的光的显示装置。这些显示装置设置有调节器(actuator)部分，其连接到光提取部分并由陶瓷压电膜形成。通过向调节器部分施加电压来执行调节器部分的保持(rest)和位移，以使光提取部分与光波导管接触或从光波导管移开，由此以可控方式来提取泄漏光。

已经将使用上述系统的显示装置用作大尺寸显示面板。这些大尺寸面板的商业例子出现在以下的互连网地址：http：//www.ngk.co.jp/ELE/product/07/index.html(2002年7月25曰访问)的CeramVision/CeramBoard brochure(第5页，左下栏)。

利用传统显示，通过使波导管和光提取部分接近至小于光波长的距离，使在波导管之中全反射并传播的光从波导管的侧面泄漏到外部。就是说，提取所谓的渐消失(evanescent)波(具体参见JPH7-287176A的第(0009)段和JP H11-202222A的权利要求1)。如例如JP H7-287176A的图1和4的附图中所示，通过是否使位移传输部分(光提取部分)的平坦表面与平坦波导管形成接触来控制从波导管的侧面提取光。

此外，JP H11-202222A的图3示出了当在已经靠近全反射表面的提取表面处提取由全反射表面全反射的光的渐消失光时的光透射系数。基于此，当全反射表面和提取表面之间的距离在0.1-0.05μm范围内时，对于相对于全反射表面具有50°-80°范围内的入射角的光显示出大约50％的透射系数。

此外，例如，在1998年SID98 Digest第1022-1025页由X.Zhou和E.Gulari的“Waveguide Panel Display Using ElectromechanicalSpatial Modulators”中公开了一种显示装置，其中将其中在聚酰亚胺膜上形成金属电极膜的静电调节器用作调节器部分，并且将LED用作光源。在这种显示装置中，与0.23mm的光提取部分的宽度相对比，波导管的厚度为0.5mm。而且，波导管的表面是ITO膜，并且通过形成掺杂有二氧化钛颗粒的膜，其影响聚酰亚胺的扩散特性，在电极上制造与ITO膜接触的光提取部分的表面，由此就使这种膜变成比聚酰亚胺更加坚硬的复合材料。

上述常规显示装置从波导管中提取在该波导管中传播的光的效率低。此外，除非光提取部分在波导管上施加大的压力，否则提取的光的亮度不够且不均匀。

发明内容

提出了本发明以便解决这些问题，并且本发明的目的在于提供一种显示元件和一种显示装置，其中能够从波导管的侧面高效地提取在该波导管中传播的光。

根据本发明的显示元件设置有光源和传播从该光源发射的光的波导管，其中从波导管侧面将在波导管中传播的光提取到外部，并且其中通过改变波导管侧面的形状，从波导管侧面将光提取到波导管之外。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施例1的显示元件结构的剖面图；

图2是示出了根据本发明实施例1的显示装置结构的透视图；

图3是示出了根据本发明实施例1的显示装置结构的方框图；

图4是示出了根据本发明实施例2的显示元件结构的剖面图；

图5是示出了根据本发明实施例3的显示元件结构的剖面图；

图6是示出了根据本发明实施例3的显示装置结构的透视图；

图7是示出了根据本发明实施例3的显示装置结构的方框图；

图8是示出了根据本发明实施例4的显示元件结构的剖面图。

最佳实施方式

根据本发明的显示装置通过改变波导管侧面的形状从波导管的侧面提取波导管中传播的光，并因此能够高效地提取传播的光。这就能够使显示器明亮且均匀。

此外，优选显示元件还设置有多个调节器，其改变波导管的形状，其中通过选择性地操作调节器来改变波导管侧面的形状，以便从波导管侧面将光提取到波导管之外。以此方式，就能够高效地提取波导管中传播的光。

此外，优选波导管设置有芯和沿着该芯的一个侧面形成的覆盖层，其中将调节器附着到覆盖层，并通过使调节器变形来改变波导管侧面的形状。以此方式，就能够高效地提取波导管中传播的光。

此外，优选通过使波导管的芯的至少一部分变形来将光提取到波导管之外。以此方式，就能够精确地提取光。

此外，优选将调节器附着到波导管侧面，并且通过使调节器变形来改变波导管侧面的形状。以此方式，能够容易地提取光。

此外，优选调节器设置有压电元件，并通过向压电元件施加电压使该压电元件变形来改变波导管侧面的形状。以此方式，就能够形成高速操作的调节器，并因此能够支持高精度的视频显示器。

此外，优选调节器设置有布置在波导管侧面的第一电极膜、在该电极膜上层叠的压电元件和在该压电元件上层叠的第二电极膜，其中通过在布置在波导管侧面的第一电极膜和在压电元件上层叠的第二电极膜之间施加一个电压使该压电元件变形来改变波导管侧面的形状。以此方式，用小的外部压力就能够实现高效的光提取。

此外，优选调节器设置有凸起部分，并且通过向具有凸起部分的波导管侧面施加压力来改变波导管侧面的形状。以此方式，就能够容易地实现高效的光提取。

此外，调节器设置有：布置在波导管侧面的电极膜和与该波导管相对且邻近该波导管的外部电极膜，其中通过在外部电极膜和该电极膜之间施加一个电压而产生的静电力来改变波导管侧面的形状。以此方式，就能够容易地实现高效的光提取。

外部电极膜在波导管侧面处设置有凸起部分，并通过该外部电极膜的凸起部分利用静电力向波导管侧面施加压力来改变波导管侧面的形状。以此方式，就能够形成高速操作的调节器，并因此能够支持高精度的视频显示器。

此外，优选通过使波导管的芯的至少一部分变形来将光提取到波导管之外。以此方式，就能够精确地提取光。

此外，优选波导管的至少一部分由弹性材料制成。以此方式，用小的外部压力就能够高效地提取光。

此外，优选波导管的至少一部分由透明凝胶体形成。以此方式，用小的外部压力就能够高效地提取光。

此外，优选对每个像素形成调节器。这样，就能够使显示器使用有源矩阵成为可能。

此外，优选波导管设置有：在波导管侧面上的波导管电极膜，与波导管电极膜相对的对置电极膜，以及布置在波导管电极膜和对置电极膜之间的颗粒，其中，通过在波导管电极膜和对置电极膜之间施加电压，使颗粒与波导管电极膜接触，从而从波导管侧面将光提取到波导管之外。利用这种结构，通过使颗粒与波导管电极膜接触，就能够使颗粒与波导管结合，并且通过改变波导管侧面的形状就能够从波导管侧面将光提取到波导管之外。以此方式，通过只施加一个非常均匀且很小的压力就能够高效地提取光。

此外，优选通过使波导管的芯的至少一部分变形来将光提取到波导管之外。以此方式，就能够精确地提取光。

此外，优选颗粒是带电颗粒。以此方式，就能够利用静电力来控制该颗粒，并因此能够容易地实现控制。

此外，优选颗粒具有磁性。以此方式，就能够利用静电力来控制该颗粒，并因此能够容易地实现控制。

此外，优选波导管电极膜的表面张力与颗粒表面的表面张力彼此不同。以此方式，就可以容易地使该颗粒接触波导管电极膜。由于此原因，利用低电压就能够控制颗粒的接触与不接触。

此外，将涂敷材料涂到波导管电极膜。以此方式，就容易使颗粒接触波导管电极膜。由于此原因，利用低电压就能够控制颗粒的接触与不接触。

此外，优选对每个像素设置波导管电极膜和对置电极膜。这样，就能够使显示器使用有源矩阵成为可能。

此外，颗粒是荧光颗粒。以此方式，通过改变来自光源的光的波长，就能够提取各种波长的光。

此外，光源发射紫外光。以此方式，即使当光源是一种类型的LED时，也能够实现RGB显示。

此外，光源是三基色LED或三基色激光器。以此方式，就能够减少波导管的数量。

此外，优选根据本实施例的显示装置设置有：上述显示元件、用于驱动光源的光源驱动电路、用于驱动调节器的调节器驱动电路，以及控制光源驱动电路和调节器驱动电路的控制电路。以此方式，就能够以较低功耗获得具有较高亮度和均匀显示的显示装置。

此外，优选设置有上述显示元件、用于驱动光源的光源驱动电路、用于在波导管电极膜和对置电极膜之间施加电压的颗粒驱动电路，以及控制光源驱动电路和颗粒驱动电路的控制电路。以此方式，就能够以较低功耗获得具有较高亮度和均匀显示的显示装置。

此外，优选设置有上述显示元件和控制各个调节器的有源矩阵元件。这样，就获得了使用有源矩阵的显示装置。

此外，优选设置有上述显示元件和控制波导管电极膜和对置电极膜之间的各个电压的有源矩阵元件。这样，就获得了使用有源矩阵的显示装置。

此外，有源矩阵元件可以是TFT或TFD。

下文是参照附图的根据本发明各实施例的更加详细的实例的说明。

实施例1

下文是参照附图的根据本发明实施例的显示元件和显示装置的说明。图1是示出了根据本发明实施例1的显示元件1的结构的剖面图。显示元件1设置有：光源2、传播从光源2发射的光的波导管3，和改变波导管3的形状的多个调节器4。

波导管3设置有：芯3a，光通过该芯来传播；以及覆盖层(cladding)3b。沿着芯3a一侧的表面设置覆盖层3b。在覆盖层3b的相对侧的表面上不设置覆盖层，以使空气作为该表面处的覆盖层。例如，作为通过其传播光的芯3a，可以采用100μm厚度的非常柔软的材料的硅树脂凝胶片(silicone gel)。例如，作为覆盖层3b，可以采用低折射率的透明氟素性聚合物(fluoric polymer)。利用覆盖层3b涂敷芯3a，直至10μm的厚度。

在波导管3的一个端部设置光源2，并且定向设置光源2，从而将光源2发射的光耦合到波导管3。优选采用例如三基色LED来作为光源2。三基色LED可以具有这样一种结构，其中在单个灯中容纳了独立控制每个颜色的RGB三基色LED芯片。在采用LCD或PDP的常规平板显示器中，以条形形状分隔RGB三基色的像素。然而，在实施例1中，通过采用三基色LED，就能够将三基色R、G和B的光输入到单个波导管3，因此单个波导管3就能够发射三基色R、G和B中的任一颜色。应当注意，棱镜2a优选放置且光耦合到波导管3的入射位置，以便即使当波导管3很薄时，也易于使来自光源2的光进入。

调节器4设置有：压电元件4a，以及分别布置在压电元件4a的相对侧面上的电极膜4b和4c。在波导管3的覆盖层3b侧的侧面处粘接调节器4。例如，压电元件4a可以是聚偏二氟乙烯(PVDF)，通过在它的两个侧面上涂敷例如银浆，在其上形成多个电极膜4b和电极膜4c。在侧面即波导管3的覆盖层3b处，用粘接剂粘接调节器4。电极膜4b具有70μm的宽度并以90μm的间距形成条形图案。应当注意，垂直于图1中的纸平面延伸地形成这些条形。这些条形电极膜4b中的四个构成了单个调节器4。此外，面对电极膜4b的电极膜4c是连续的涂层，其在波导管3上均匀地涂敷并由多个调节器共享。

下文是如何从图1中所示的显示元件1的波导管3的侧面提取光的说明。将正电压和负电压交替地施加到布置在波导管3处的调节器4的电极膜4b的四个条形。以此方式，在提供有正电压的电极膜4b位置压电膜4a收缩，并且在提供有负电压的电极膜4b的位置压电膜4a伸长。由于覆盖层3b的长度固定且不会改变，如图1所示，调节器4交替地凸起和凹陷。就是说，调节器4变成波形。这就使覆盖层3b变化为与调节器4相同的形状，并且在覆盖层3b侧的芯3a的表面也会变形。

当不施加电压时，覆盖层3b和压电膜4a的长度相同，因此调节器4就呈现为平坦形状。

以此方式，通过选择性地控制在电极膜4b和电极膜4c之间施加的电压，就能够改变波导管3的侧面形状。

在波导管3中传播从光源2发射的所需颜色的光。这里，当通过选择性地施加电压在波导管3中的覆盖层3b侧上的芯3a表面上的所需位置产生凹面和凸面时，在波导管3中传播的一部分光，例如点划线所示的光2c，相对于芯3a的表面改变一个角度，由此在被完全反射之后就从波导管3的侧面(其上未设置有波导管3的调节器4的侧面)发射到波导管3之外。而且，由于波导管3的变化形式，通过芯3a和覆盖层3b传输由虚线所示的光2b，然后通过银电极膜4c进行反射，以致它被散射-反射并从波导管3的侧面发射到波导管3之外。

以此方式，通过控制施加的电压来控制从光源2发射的入射到波导管3的光的颜色，就能够在所需位置处提取光并从显示元件1的波导管3的侧面(显示表面1a)提取所需颜色的光，并且进行显示。

而且，施加到调节器4的电压越大，波导管3的形状改变就会越大。根据测量，已观察到了随着施加的电压从0开始逐渐增加、提取光的亮度也增加。当施加的电压为±30伏时亮度饱和，并能够提取80％或更多的来自光源2的入射到波导管3上的光。

至于高效地提取光，优选对于发射光提供高度方向性的光源2。在图1中的显示表面1a的波导管3中，在芯3a和空气之间的界面处的全反射角为60°。因此，当在波导管3中传播的光的角度(入射角)相对于显示表面1a的法线小于41.8°、该角度是临界角时，光就会从波导管3中泄漏。相反，当入射角较大且光的传送方向接近平行于波导管3时，会在芯3a中反复产生全发射，并且在这种全反射位置之间的间隔就会变得非常大，以致于不经过其中希望提取光的位置，由此就会降低效率并产生不均匀的亮度。

由于这些原因，优选从光源2发射到波导管3的光的入射角大于临界角41.8°但接近临界角41.8°，且具有光的高度方向性。例如，当光源2为LED时，可以根据铸造的透镜的形状来改变方向性，因此用作光源2的三基色LED的发射的光的角度分布的半幅值宽度就设置为大约10°。

应当注意，能够使用除了LED的光源2。例如，能够使用其中通过在有机EL面板上排列微透镜阵列来改善方向性的光源2，并且还可以使用半导体激光器来作为光源2。

当波导管3太厚时，在波导管3内部传播的光就会在显示表面1a(波导管3和空气之间的界面)处反复全反射，且在全反射的位置之间的间隔就会变得非常大。由于这个原因，传播的光就不会经过调节器4的排列位置(像素)，因此就会导致不能被提取的光束。因此，优选波导管3不要太厚。

具体地，根据提取效率，优选设置图1中的波导管3的厚度D不大于部分波导管3的长度L(在波导管3中光的传播方向上的调节器4的长度)的1/2，制造该部分波导管3以便由调节器4来改变形状。

根据像素数量和显示面积的尺寸来确定波导管3的厚度。在显示元件1中，部分波导管3的长度L对应于水平方向上(在波导管3中的光传播方向)的一个像素的长度，制造该部分波导管3以便由调节器4来改变形状。例如，采用以下描述的显示元件1的显示装置100的显示尺寸为60到100英寸范围内的HDTV的显示尺寸。例如在这种情况下，单个像素的尺寸大约在230.6μm(垂直)×691.8μm(水平)到384.3μm(垂直)×1153μm(水平)的范围内。应当注意，此处垂直是指相对于波导管3中的光传播方向的垂直方向上的长度，且水平是指在波导管3中的光传播方向上的长度。这里，优选波导管3的厚度D不大于345.9μm且不大于576.5μm。优选波导管3的厚度D不大于部分波导管3的长度L(在波导管3中的光传播方向上的调节器4的长度)的1/2，制造该部分波导管3以便由调节器4来改变形状。

另一方面，当波导管3太薄时，就会制约在波导管3中可以传播光的角度，以致传播的光接近单一模式，由此就会减少传播光的量。而且，当波导管3太薄时，就难于提供入射光。由于这个原因，优选芯3a的厚度至少为30μm或更大。

下文是根据参照图2的实施例1的显示装置100的说明。图2是示出了根据实施例1的显示装置100的结构的透视图。利用相对于波导管3中光传播方向垂直的上述显示元件1，可以通过按列(row)排列多个显示元件1来构成显示装置100，以致显示表面1a位于相同侧面。如图2中所示，利用实施例1的显示装置100，以显示屏的列方向(X方向)按照n列的阵列来排列显示元件1的波导管3。这里，n是自然数。在波导管3的端部排列各个光源2，并且在行方向(Y方向)上排列m行的调节器4，行方向是其中波导管3延伸的方向。显示装置100的像素数量为n×m个像素。

根据实施例1的显示装置100以行序操作调节器4，以改变波导管3的侧面的形状，由此改变其中反射由全反射在波导管3中传送的光的方向，因此从波导管3之中提取光，并使光从显示表面1a发射。

具有这种结构的显示装置100，通过控制施加到用于作为光源2的在显示平面(XY平面)的列方向上延伸的波导管3的三基色LED的不同芯片的电压、根据利用电极膜4b和电极膜4c选择提取的各行上的像素的颜色和亮度信息就能够实现给定图像的显示。

图3中示出了表示实施例1的显示装置100结构的方框图。图3说明了对于实际操作显示装置100的具体结构。除了上述说明之外，显示装置100还设置有：用于驱动光源2的光源驱动电路50，用于通过将电压施加到电极膜4b和电极膜4c来驱动调节器4的调节器驱动电路51，以及与这些电路同步、输入信号并显示图像的控制电路52。控制电路52将由调节器驱动电路51所选择列的像素的颜色RGB的亮度信息输入到光源驱动电路50的驱动器LSI，并且光源驱动电路50将对应于亮度信息而施加的电压输入到光源2，以进行全色彩图像显示。

由于采用三基色LED来作为光源2，因此就能够使三基色光入射到单个波导管3。这就能够利用单个显示元件1即一列来显示三基色光。利用常规的显示装置诸如液晶显示器和PDP，通过三个主要颜色R、G和B的子像素来构成一个像素。然而，使用实施例1的波导管3的显示装置，就不需要对每个颜色分开在列方向上延伸的波导管3，并且三个主要颜色就能够入射到单个波导管3，因此就能够减少波导管3(显示元件1)的数量，由此就能够有效地降低成本。

通过将±30V的电压顺序地施加到显示装置100的显示元件1中的调节器4，就能够确保均匀亮度的平面显示。利用其中采用渐消失波来提取光的常规结构，由于甚至在清洁室中大量亚微米尺寸微粒的影响，因此就不可能将波导管和光提取表面之间的距离减少为0。由于这个原因，即使对波导管的光提取表面施加相当大的力，也不容易获得高提取效率。

然而，利用实施例1的显示装置100的显示元件1，通过采用柔性的波导管，通过使波导管在小的外力下改变形状来提取光，由此改变在波导管中传播的光的反射方向。由于这个原因，与采用渐消失波的提取相比，就能够获得更高的提取效率。

此外，由于在调节器4中采用了压电元件，因此就能够进行高速操作。由于这个原因，就能够进行高速扫描，因此还能够支持高分辨率图像显示。

实施例2

下文是参照图4、根据本发明的实施例2的显示元件11的说明。在实施例2的显示元件11与实施例1的显示元件1中，调节器不同。除此之外结构基本相同，并由此具有相同功能的部件赋予相同参考符号，并且省略其说明。

如图4所示，实施例2的显示元件11设置有：光源2，传播从光源2发射的光的波导管3，和改变波导管3形状的调节器14。光源2和波导管3与实施例1的显示元件1中的相同。光源2是例如三基色LED，并且由光源2发射的光在波导管3中进行传播。波导管3设置有芯3a和覆盖层3b，由于在覆盖层3b的相对侧上暴露芯3a，因此空气就作为覆盖层。应当注意，在实施例2中，芯3a是100μm厚的平坦薄片且由硅树脂凝胶材料制成，同时覆盖层3b是具有5μm膜厚的透明氟素性树脂。

调节器14设置有：布置在波导管3的侧面上的电极膜14a，例如涂敷到电极膜14a的0.1μm厚的聚碳酸酯绝缘薄膜14b，布置成与绝缘薄膜14b相对的由0.15mm厚度的PET膜形成的衬底14d，以及外部电极膜14c，其形成在绝缘薄膜14b侧的衬底14d上并具有凹面-凸面形状。在衬底14d上存在多个凹面-凸面形状的外部电极膜14c，并且为每个外部电极膜14c构成单个调节器14。电极膜14a形成在波导管3的整个表面(覆盖层3b)上并相对于调节器14公用。

上述波导管3和调节器14的制造方法是例如在芯3a上涂敷覆盖层3b，然后进一步在覆盖层3b的表面上例如利用丝网印刷来涂敷银浆以形成电极膜14a。此外，将聚碳酸酯涂敷到电极膜14a，以形成绝缘薄膜14b。然后，通过对在衬底14d表面上以条形图案形成的凹面-凸面部分加压，形成锯齿状的凹面-凸面部分14e，其由0.15mm厚的PET膜形成。凹面-凸面部分14e具有例如3μm的截面深度和30μm的间距。例如，通过进行铝淀积，在凹面-凸面部分14e上形成铝外部电极膜14c。最后，排列衬底14d和波导管3，使其彼此对置。

下文是由此构成的显示元件11的操作说明。

当在电极膜14a和电极膜14b之间未施加电压时，在图4所示的显示元件11的端部，只有凹面-凸面形状的外部电极膜14c的凸起部分与绝缘薄膜14d连接。由于这个原因，波导管3的侧面是平坦的。然而，通过在电极膜14a和外部电极膜14c之间施加一个电压，其间就会产生静电力，由此它们就会彼此吸引。由此，如图4所示的显示元件11的中心区域所示，电极膜14a和外部电极膜14c彼此粘贴，且电极膜14a和外部电极膜14c就会变形为相同的凹面-凸面形状。而且，电极膜14a粘接到波导管3，因此覆盖层3b和芯3a的表面变形为与外部电极膜14c相同的凹面-凸面形状。即，波导管3的侧面改变了形状。应当注意，芯3a特别柔软，因此其形状变化很大。以此方式，就能够从波导管3的侧面将在波导管3中正在传播同时被全反射的光提取到外部。与实施例1中相同，通过使波导管3的一个侧面上的侧面变形，就能够使正在传播并且在波导管3中通过芯3a表面被全反射的光12c从波导管3的侧面泄漏到外部。

就是说，当将芯3a表面的所需位置变形为凹面-凸面形状时，由于改变了芯3a表面的角度，因此在波导管3中传播的光中，例如由点划线所示的光12c在被全反射之后从波导管3的侧面(其上未设置有波导管3的调节器4的侧面)发射到波导管3之外。而且，还存在例如穿透芯3a和覆盖层3b，然后由银电极膜14a反射的光，以致它被散射-反射并从波导管3的侧面发射到波导管3之外。

以此方式，通过控制施加的电压来控制入射到波导管3上的发射自光源2的光的颜色，就能够在所需位置处并按照所需颜色从显示元件1的波导管3的侧面(显示表面1a)提取光并进行显示。

当实际上通过从三基色LED光源2将入射光引入到波导管3来进行顺序行扫描时，在电极膜14a和外部电极膜14c之间施加+10V来作为选择电压、并将0V施加到未选择的位置，从波导管3的侧面(显示表面1a)就获得了均匀明亮的显示。甚至在低电压下，也能够将光源2的几乎所有入射光提取到外部，由此就获得了高功率效率的显示元件1。

可以按照与显示装置100相同的方式，通过相对于波导管3中的光传播方向垂直地按列排列图4中所示的多个显示元件11，就能够构成一种显示装置，由此显示表面1a就位于同一侧，如图2所示。当在屏幕的列方向上排列n列显示元件11且在其中波导管3延伸的方向(行方向)上排列m行的调节器14时，像素的数量为n×m个像素。

从波导管3的侧面(显示表面1a)获得提取光以进行图像显示的方法与用于实施例1的显示装置100相同，因此不再进行进一步解释。在实施例1的显示装置和实施例2的显示装置之间只有调节器的结构不同，且其余结构基本相同。

此外，为了实际操作实施例2的显示装置，如图3中所示，它充分设置了：用于驱动光源2的光源驱动电路50，用于通过将电压施加到电极膜14a和14c来驱动调节器14工作的调节器驱动电路51，以及与这些电路同步的、输入信号并显示图像的控制电路52。

由于在常规XY矩阵型平板显示元件中在行电极和列电极之间夹有光调制介质，因此由于串扰的产生就难于增加装置的尺寸。然而，利用实施例1和2的显示装置，就不存在行和列的驱动电路之间的电连接，因此基本上就不会产生串扰，而且由于其结构简单，因此易于增加装置的尺寸。而且，由于不需要特别设置需要高温处理的ITO且因为结构简单，因此就能够获得类似薄膜的薄的柔性显示装置。此外，采用具有高发光效率的LED等作为光源，因此就能够用低功率调节器获得高的光提取效率，由此还可以降低功耗。

如上所述，利用根据实施例1和2的显示元件和显示装置，通过采用柔性波导管，就能够获得能够被悬挂或贴附在墙上的具有大且薄的屏幕、且具有高的光发射效率和低功耗的创新显示器。

应当注意，在实施例1和2中，描述了作为波导管3的芯3a的硅树脂凝胶的一个实例，但易于变形并显示出所谓的橡胶弹性的透明材料，例如聚氨脂基橡胶将获得相同的效果。作为芯3a，可以采用杨氏模量(Young’s modulus)小于10⁶N/m²的材料。

此外，在实施例1和2中，利用相同材料来构成整个芯3a，但是，只要波导管3的芯3a表面易于变形就足够了，由此可以利用硬性材料诸如普通塑料来构成波导管3的该侧的表面，同时仅有将要变形的位置由柔性层设置的层来构成。此外，还可以采用一种波导管3，其中只构成芯3a而不构成覆盖层3b，从而两个侧面上的覆盖层都是空气。此外，为了便于处理，可以采用一种波导管3，其中在芯3a的两个侧面上都设置覆盖层。

应当注意，在实施例1和2中示出了简单的矩阵型显示装置，其中根据列的数量来排列波导管3并设置多个三基色LED光源2，但是，光源的类型和调节器的类型、以及定位这些部件的结构并不限于此。可以采用通过使柔性波导管3变形而能够以低功耗获得高的提取效率的任何结构。例如，可以是这样一种结构，其中波导管由带有单一光源2的单个平板制成，且根据像素数量与多个调节器4或14排列成XY矩阵。在这种情况下，就将驱动调节器4或14的有源元件添加到每个调节器并对每个像素进行驱动，以致通过控制其中芯变形的时间来进行分级(gradation)。作为有源元件，可以采用TFT(薄膜平面型晶体管)或TFD(薄膜平面型二极管)。

利用根据实施例1和2的显示元件和显示装置，采用其中从波导管的侧面提取在波导管3中传播的光的技术的显示元件和显示装置能够提高光提取效率，其能够以较低的功耗获得更高的亮度并提高显示的均匀性。而且，无论什么屏幕尺寸，对于甚至超过100英寸的大屏幕和用于移动应用的小屏幕都可以获得薄片型的薄的显示装置。

实施例3

下文是参照图5、根据本发明实施例3的显示元件的说明。图5是示出了根据实施例3的显示元件21的结构的剖面图。如图5所示，显示元件21设置有：光源22，波导管23，与波导管23相对的对置电极膜25，以及邻近波导管23设置的颗粒26。

波导管23设置有传播光的芯23a、覆盖层23b和波导管电极膜23c。作为芯23a，可以采用例如具有100μm厚度的丙烯酸树脂的薄片，其是非常柔软的材料。而且，在芯23a的一个侧面上涂敷具有低折射系数的10μm厚度的透明氟素性聚合物作为覆盖层23b。波导管电极膜23c是ITO，并且直接利用粘接剂粘接在芯23a与覆盖层23b相对侧的表面上。覆盖层23b只设置在芯23a的一个表面上，并且多个波导管电极膜23c设置在相反表面上。波导管电极膜23c为ITO，并且按照波导管23延伸的方向来设置多个波导管电极膜23c。例如，在波导管23中的光传播方向上的波导管电极膜23c的长度W为300μm。在覆盖层23b的相对侧上的覆盖层为空气。而且，波导管电极膜23c是芯的一部分，且在波导管23中传播的光同样被波导管电极膜23c和空气的界面全反射。应当注意，这也可以是其中不设置覆盖层23b的结构。

在波导管23的一个端部设置光源22，且设置具有定向性的光源22，以便将从光源22中发射的光耦合到波导管23。优选将棱镜22a放置并且光学地耦合在波导管23的入射光位置处。应当注意，光源22可以与实施例1中的光源2相同，并且优选采用例如三基色LED。

优选具有高度定向性的光源22，以便能够有效提取来自波导管23的光。在波导管23中，在芯23a和空气之间的界面处的全反射角为60°。在图5的剖面图中简要地示出了在波导管23中的光传播状态。

当从光源22发射的如虚线所示的光22b对于波导管23的入射角(相对于显示表面21a的法线的角度)小于41.8°、在实施例3中该角度为临界角时，光22b就从波导管23中泄漏。相反，当入射角大于41.8°的临界角时，与点划线所示的光22c一样，光22c的传送路径就接近平行于波导管23。以此方式，在芯23a和波导管电极膜23c中就会反复产生全反射，并且在这种全反射位置之间的间隔就会变得非常大，以致于其中想要提取光的位置被忽略，由此就会降低效率并产生不均匀的亮度。而且，如JP H7-287176A的图3中所述，渐消失波的提取比变得更小且降低了效率。由于这些原因，优选利用高度定向性的光源22、从光源22发射到波导管23的光的入射角大于41.8°的临界角，但接近于41.8°的临界角。例如，当光源22为LED时，就可以根据铸造的透镜的形状来改变定向性，并因此是优选的。这就是为什么在实施例3中采用了其中将发射的光的角度分布的半幅值宽度设置为10°的三基色LED来作为光源22。

应当注意，除了LED之外，作为光源22，还可以采用通过在有机EL面板上排列的微透镜阵列来改善其定向性的光源，并且还可以采用半导体激光器。通过采用三基色LED来作为光源22，就更加容易使三基色光入射到单一波导管23上。利用诸如液晶显示器和PDP的常规显示器，通过三原色R、G和B的子像素来构成一个像素，但是，通过如上所述构成像素，就不需要对每个颜色分开在列方向上延伸的波导管23，并且三原色就能够入射到单个波导管23上。因此，就能够减少波导管23的数量，由此就能够有效地降低成本。

相对于波导管23设置对置电极膜24。例如，对置电极膜24为ITO，并且对置电极膜24淀积在丙烯酸树脂的衬底25之上。例如，波导管电极膜23c和对置电极膜24之间的间隔为35μm。

在波导管23附近布置颗粒26。颗粒26位于波导管电极膜23c和对置电极膜24之间、由丙烯酸树脂形成，并且带有电荷。颗粒26的平均颗粒尺寸为例如6μm。颗粒26以20％的填充率被填充在波导管电极膜23c和对置电极膜24之间的空间中。应当注意，填充率是每单位体积颗粒所占的体积的比率。通过每单位体积的颗粒26的数量乘以每个颗粒的体积，就能够获得颗粒26所占的体积，从颗粒26的平均颗粒尺寸可以获得每个颗粒的体积。

当施加例如70V的电压以致所选择的波导管电极膜23c变成负且对置电极膜24变成正时，颗粒26接触波导管电极膜23c的表面。以此方式，颗粒26就与波导管23结合在一起。即，颗粒26变成波导管23的侧面的一部分，并改变了在波导管电极膜23c侧的波导管23的侧面形状。

在波导管23中传播从光源22发射的所需颜色的光。这里，通过选择性地将电压施加到波导管电极膜23c和对置电极膜24，由颗粒26来改变在波导管电极膜23c侧的波导管23的侧面形状。通过改变波导管23的形状，就改变了传播状态，并且在波导管23中传播的光就从波导管23的波导管侧面泄漏到外部。通过将颗粒26的折射系数设置为接近芯23a或覆盖层23b的折射系数，就能够从颗粒26将光提取到外部。优选颗粒26的折射系数例如基本上等于芯23a的折射系数。

以此方式，光从颗粒26和波导管电极膜23c的接触部分处泄漏，因此在丙烯酸树脂衬底25的方向上就能够提取光，以致衬底25就可以制造为显示屏。

另一方面，当施加70V的电压以便使电场反向时，即，使波导管电极膜23c变成正且对置电极膜24变成负，颗粒26就从波导管电极膜23c移开。由于这个原因，就不能够作为泄漏光提取在波导管23内部正在传播的光，并且在波导管23中按照原样引导正在传播的光，因此就不能进行显示。

以此方式，由于通过使单个颗粒26与波导管电极膜23c接触来从波导管23的侧面提取光，因此接触表面面积很小且不必在整个表面之中例如与常规平板形状的压电元件具有接触。由于这个原因，就可以向波导管23施加非常均匀的小的压力，此外，可以静电地施加该压力以实现控制。应当注意，在上述说明中采用了带电颗粒，但代替这些，还可以采用磁性颗粒，并通过控制对置电极膜24和波导管电极膜23c之间的磁场来控制颗粒26与波导管23表面的接触与非接触。

此外，作为颗粒26，可以采用由含有若丹明(rhodamine)(其是一种荧光染料)的丙烯酸树脂制成的颗粒26。在这种情况下，当采用发射520nm波长光的绿色LED作为光源22时，观察到从波导管23的侧面提取的光为具有580nm波长的橙色光。以此方式，通过选择性采用含有荧光染料或荧光物质的颗粒26和对应于该荧光染料或荧光物质的激发波长的LED光源22，就能够提取不同波长的光。而且，通过采用紫外光LED作为光源22并通过采用在PDP中使用的荧光物质作为颗粒26，即使采用单色LED作为光源22，也能够获得RGB的显示。

下文是参照图6、根据实施例3的显示装置300的说明。图6是示出了根据实施例3的显示装置300的结构的透视图。可以通过与波导管23中光传播方向垂直的列的方式排列多个上述显示元件21来构成显示装置300。如图6所示，利用实施例3的显示装置300，在屏幕的列方向上(X方向)按照n列的阵列排列显示元件21的波导管23。应当注意，n是正整数。在波导管23的端部处分别设置光源22。在波导管23的侧面处，在行方向(Y方向)上布置用于m行的电极膜23c，该行方向是其中波导管23延伸的方向。用于显示元件21的对置电极膜24公用且进行布置，以使它覆盖显示元件24的所有波导管23。而且，同样地，同一列的波导管电极膜23c被各自的波导管23共享并覆盖其列。显示装置300的像素数量为n×m个像素。

利用实施例3的显示装置300，通过一列接着一列地控制施加在波导管电极膜23c和对置电极膜24之间的电压使颗粒26与波导管电极膜23c经历接触或非接触，以致从波导管23的侧面提取在波导管23中通过全反射传播的光，并且朝向对置电极膜24进行发射。

以此方式构成的显示装置300通过控制施加到用于在显示平面(XY平面)的列方向上延伸的波导管23的三基色LED的不同芯片的电压、根据利用波导管电极膜23c和对置电极膜24选择提取的各行上的像素的颜色和亮度信息就能够显示给定的图像。

图7中示出了实施例3的显示装置300结构的方框图。图7说明了用于实际操作显示装置300的具体结构。除了上述说明之外，显示装置300还设置有：用于驱动光源22的光源驱动电路60，通过将电压施加到波导管电极膜23c和对置电极膜24以便使颗粒26与波导管电极膜23c进行接触或非接触的颗粒驱动电路61，以及与这些电路同步、输入信号并显示图像的控制电路62。控制电路62将由颗粒驱动电路61所选择列的像素的颜色RGB的亮度信息输入到光源驱动电路60的驱动器LSI，并且光源驱动电路60将对应于亮度信息而施加的电压输入到光源22，以进行全色彩图像显示。

由于采用三基色LED来作为光源22，因此就能够使三基色光入射到单个波导管33。这就能够利用单个显示元件21即一列来显示三基色光。利用常规的显示装置诸如液晶显示器和PDP，通过三原色R、G和B的三个子像素来构成一个像素。然而，利用采用了实施例3的波导管23的显示装置，就不需要对每个颜色分开在列方向上延伸的波导管3，并且三原色就能够入射到单个波导管23，因此，就能够减少波导管23(显示元件21)的数量，由此就能够有效地降低成本。

实施例4

下文是参照图8、根据本发明的实施例4的显示元件31的说明。根据实施例4的显示元件31是这样一种结构，其中在其上设置有波导管电极膜23c的侧面上、将具有相对大表面张力的涂敷材料37涂敷到根据实施例3的显示元件21的波导管23上。具体地，优选涂敷材料37的表面张力不小于50mN/m。涂敷材料37覆盖芯23a和波导管电极膜23c，从而使涂敷材料37成为芯的一部分，并且波导管23中传播的光同样被涂敷材料37和空气的界面全反射。因为对于除了涂敷材料37之外的部分表示相同的功能，因此将采用相同的数字符号并将省略它们的进一步说明。

涂敷材料37是例如具有63.4mN/m表面张力的甘油，并被涂敷成具有大约2μm的厚度。而且，优选对于颗粒26采用小表面张力的材料。具体地，优选颗粒26的表面张力不大于30mN/m。

例如，实际上采用由具有18.4mN/m表面张力的Teflon(注册商标)制造的颗粒26来形成显示元件31。颗粒26的平均颗粒尺寸设置为6μm，并且在波导管电极膜23c和对置电极膜24之间的空间中的颗粒26的填充率设置为20％。施加50V的电压，以致所选择列的波导管电极膜23c变成负且对置电极膜24变成正。以此方式，颗粒26就与波导管电极膜23c的表面接触，并朝向衬底25提取来自接触部分的泄漏光。另一方面，施加50V的电压以使电场反向，即，使波导管电极膜23c变成正且对置电极膜24变成负。以此方式，由于颗粒26从波导管电极膜23c的表面移开，因此就不能提取在波导管23中传播的来自光源22的光作为泄漏光。在这种情况下，可以通过实施例4的显示元件31中的小电压来切换显示和非显示。这是因为作为涂敷材料37的甘油的表面张力充分大于颗粒26的Teflon(注册商标)的表面张力。以此方式，在颗粒26和涂敷材料37之间的接触表面处的所谓弹性就变得更大。弹性是一种物理现象，其中不用涂敷材料37相对于颗粒26的表面伸展就会产生弹力。即，在颗粒26和涂敷材料37之间的弹性越大，在颗粒26和波导管电极膜23c之间接触处的回弹力就会越大。由于这个原因，就可以使颗粒26更容易从波导管电极膜23c移开。因此，利用低电压就能够控制颗粒26和波导管电极膜23之间的接触和非接触。

以此方式，通过在芯23a和波导管电极膜23c的表面上提供与颗粒26不同表面张力的涂敷材料37，就能够降低用于控制颗粒26的接触所需的电压。应当注意，颗粒26的表面张力可以不同于波导管23表面(波导管电极膜23c)的表面张力。然而，常规结构是颗粒26的表面张力小于波导管23表面的表面张力。

通过与波导管23中的光传播方向垂直地按列排列多个图8中所示的显示元件31，按照与显示装置300相同的方式就能够构成一种显示装置，从而显示表面21a位于同一侧，如图6所示。当在屏幕的列方向上排列n列显示元件31且按照其中波导管3延伸的方向(行方向)排列用于m行的波导管电极膜23c时，像素的数量为n×m个像素。

用于实现从波导管23的侧面(显示表面21a)提取所需光以进行图像显示的方法与实施例3的显示装置300相同，因此将省略其解释。实施例4的显示装置与实施例5的显示装置之间的不同之处在于，在波导管23的表面上布置涂敷材料37，而其余结构基本上相同。

此外，为了实际操作实施例4的显示装置，如图7所示，可以设置：用于驱动光源22的光源驱动电路60，通过将电压施加到波导管电极膜23c和对置电极膜24以便使颗粒26与波导管电极膜23c进行接触或非接触的颗粒驱动电路61，以及与这些电路同步、输入信号并显示图像的控制电路62。

利用实施例3和4的显示装置，通过控制施加到用于作为光源22的在显示平面(XY平面)的列方向上延伸的波导管23的三基色LED的不同芯片的电压、根据利用波导管电极膜23c和对置电极膜24选择提取的各行上的像素的颜色和亮度信息就能够实现给定图像的显示。然而，光源类型的结构和例如定位不限于这些。例如，可以是这样一种结构，其中以对应于像素数量的XY矩阵排列波导管电极膜23c和对置电极膜24。在这种情况下，可以通过将有源元件连接到波导管电极膜23c和对置电极膜24来驱动每个像素。例如，作为有源元件，可以采用TFT或TFD。

利用根据实施例3和4的显示元件和显示装置，通过控制利用一种技术的显示装置中的颗粒的接触提高了光提取效率，在此技术中从波导管的端面引导光并从波导管的芯的表面提取光，由此就能够以更低功耗获得更高亮度。而且，改善了显示的均匀性。利用实施例3和4，无论什么屏幕尺寸，对于甚至超过100英寸的大屏幕和用于移动应用的小屏幕都可以获得薄片型的薄的显示装置。

本发明者研制的显示装置，其中从具有与前面所述的传统结构相同结构的波导管提取光，上述结构公布于1998年SID98 Digest，第1022-1025页，X.Zhou，E.Gulari著“Waveguide Panel DisplayUsing Electromechanical Spatial Modulators”。然而，很显然，在波导管的厚度比像素宽度(光传播方向的宽度)更厚的常规结构中，亮度低，且随着厚度减小亮度增加。

其原因是波导管中的全反射位置之间的距离依赖于波导管的厚度，其中传播的光在芯和空气之间的界面处经历反复的全反射。例如，对于45°反射角的全反射，全反射位置之间的距离是波导管宽度的两倍。由于这个原因，波导管的厚度就不能大于在光传播方向上的像素宽度的1/2。如果不是，那么全反射位置之间的距离就会变得大于像素宽度，且反射光就不经过像素，以致就不能实现从波导管侧面的提取。

因此，从提取效率的观点出发，优选实施例1到4的显示元件中的波导管的厚度小于像素宽度的1/2，而且考虑到入射光的角度分布，优选为更薄。应当注意，特别地，像素宽度是在用于实施例1和2的显示元件的图1和2中的波导管3的纵向上的电极4和14的长度，并且像素宽度是在用于实施例3和4的图5和6中的波导管电极膜23c或波导管23的纵向上的长度。

例如，当波导管3和23的厚度设置为像素宽度的1/4或小于像素宽度的1/4时，那么同样可以提取60°或更小的反射角的光。当高度定向的LED光入射到这种波导管时，就能够提取几乎所有的入射光。另一方面，当波导管3和23太薄时，实现了单一模式，在单一模式下就制约了在波导管3和23中可以传播光的角度。这就会减少可传输光的量。而且，由于当波导管3和23太薄时难于导入入射光，因此优选波导管3和23的厚度至少为30μm。

应当注意，根据实施例1到4，对于显示元件的光源2和22，可以采用例如三基色激光器(RGB)。

工业实用性

无论屏幕尺寸，甚至在大屏幕和用于移动应用的小屏幕中的薄片型薄的显示装置中，都可以采用本发明的显示元件和显示装置。

Claims (29)

1、一种显示元件，包括：光源和传播从该光源发射的光的波导管，其中从波导管侧面将在该波导管中传播的光提取到外部，并且

其中通过改变该波导管侧面的形状从该波导管侧面将光提取到该波导管之外。

2、根据权利要求1所述的显示元件，还包括改变该波导管的形状的多个调节器，

其中通过选择性地操作该调节器来改变该波导管侧面的形状，以便从该波导管侧面将光提取到该波导管之外。

3、根据权利要求2所述的显示元件，其中该波导管包括一个芯和沿着该芯的一个侧面形成的覆盖层，

其中该调节器附着到该覆盖层，且通过使该调节器变形来改变该波导管侧面的形状。

4、根据权利要求3所述的显示元件，其中通过使该波导管的该芯的至少一部分变形来将光提取到该波导管之外。

5、根据权利要求2所述的显示元件，其中该调节器附着到该波导管侧面，并且

其中通过该调节器的变形来改变该波导管侧面的形状。

6、根据权利要求2所述的显示元件，其中该调节器包括压电元件，并且

其中通过向该压电元件施加电压使该压电元件变形来改变该波导管侧面的形状。

7、根据权利要求4所述的显示元件，其中该调节器包括：布置在该波导管侧面的第一电极膜，

在该电极膜上层叠的压电元件，以及

在该压电元件上层叠的第二电极膜，

其中通过在布置该波导管侧面处的该第一电极膜和在该压电元件上层叠的该第二电极膜之间施加电压使该压电元件变形来改变该波导管侧面的形状。

8、根据权利要求2所述的显示元件，其中该调节器包括一个凸起部分，并且

其中通过该凸起部分向该波导管侧面施加压力来改变该波导管侧面的形状。

9、根据权利要求2所述的显示元件，其中该调节器包括：布置在该波导管侧面处的电极膜，以及

与该波导管相对并邻近该波导管的外部电极膜，

其中通过在该外部电极膜和该电极膜之间施加电压而产生的静电力来改变该波导管侧面的形状。

10、根据权利要求9所述的显示元件，其中该外部电极膜包括在该波导管侧面处的凸起部分，并且通过该外部电极膜的凸起部分利用该静电力向该波导管侧面施加压力来改变该波导管侧面的形状。

11、根据权利要求2所述的显示元件，其中通过使该波导管的该芯的至少一部分变形来将光提取到该波导管之外。

12、根据权利要求2所述的显示元件，其中该波导管的至少一部分包括弹性材料。

13、根据权利要求2所述的显示元件，其中该波导管的至少一部分包括透明凝胶体。

14、根据权利要求2所述的显示元件，其中对每个像素形成该调节器。

15、据权利要求1所述的显示元件，

其中该波导管包括在该波导管侧面上的波导管电极膜，

该显示元件还包括与该波导管电极膜相对的对置电极膜，以及

布置在该波导管电极膜和该对置电极膜之间的颗粒，

其中，通过在该波导管电极膜和该对置电极膜之间施加电压，使该颗粒和该波导管电极膜接触，以使该颗粒和该波导管结合，从而改变该波导管侧面的形状并从该波导管侧面将光提取到该波导管之外。

16、根据权利要求15所述的显示元件，其中通过使该波导管的该芯的至少一部分变形来将光提取到该波导管之外。

17、根据权利要求15所述的显示元件，其中该颗粒是带电颗粒。

18、根据权利要求15所述的显示元件，其中该颗粒是磁性颗粒。

19、根据权利要求15所述的显示元件，其中该波导管电极膜的表面张力与该颗粒表面的表面张力彼此不同。

20、根据权利要求15所述的显示元件，其中将涂敷材料涂敷到该波导管电极膜。

21、根据权利要求15所述的显示元件，其中对每个像素设置该波导管电极膜和该对置电极膜。

22、根据权利要求15所述的显示元件，其中该颗粒是荧光颗粒。

23、根据权利要求22所述的显示元件，其中该光源发射紫外光。

24、根据权利要求1到21中的任何一项所述的显示元件，其中该光源是三基色LED或三基色激光器。

25、一种显示装置，包括：

根据权利要求2-14中任何一项所述的显示元件，

用于驱动该光源的光源驱动电路，

用于驱动该调节器的调节器驱动电路，以及

控制该光源驱动电路和该调节器驱动电路的控制电路。

26、一种显示装置，包括：

根据权利要求15到23中任何一项所述的显示元件，

用于驱动该光源的光源驱动电路，

用于在该波导管电极膜和该对置电极膜之间施加电压的颗粒驱动电路，以及

控制该光源驱动电路和该颗粒驱动电路的控制电路。

27、一种显示装置，包括：

根据权利要求14所述的显示元件，以及

控制各个调节器的有源矩阵元件。

28、一种显示装置，包括：

根据权利要求21所述的显示元件，以及

控制该波导管电极膜和该对置电极膜之间的各个电压的有源矩阵元件。

29、根据权利要求27或28所述的显示装置，其中该有源矩阵元件是TFT或TFD。

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