JP2005173562A - 光導波路装置、この光導波路装置を用いた画像表示装置及び画像表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明に係る表示装置を用いることにより、プロジェクタ装置を、従来に比して非常に小さく、また消費電力を大幅に削減することができる。
【解決手段】 表示装置、及びこの表示装置を用いて画像をスクリーン上に投写するプロジェクタ装置は、複数の光源、光導波路、光スイッチ、マイクロレンズ、走査ミラーを備える。プロジェクタ装置は、この表示装置、光変調回路、光スイッチ制御回路、走査ミラー制御回路、同期回路、投写光学系を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光導波路装置、この光導波路装置を用いた画像表示装置及び画像表示方法に関する。特に、情報表示装置に関し、特に投写表示装置に関する。

通常のプロジェクタの殆どは、液晶表示（Liquid crystal display：以下、ＬＣＤという。）パネルを用いている。代表的なＬＣＤパネルは、２枚の偏光板と、液晶セルと、薄膜トランジスタ（thin film transistor：以下、ＴＦＴという。）と、カラーフィルタとから構成される。これらの部品の光透過率は、それぞれ一対の偏光シートが約５０％、ＴＦＴの開口が約８０％、カラーフィルタが３０％である。したがって、全ての部品の総光透過率は、約１２％となる。このことは、投写光源からの光のたった１２％しかＬＣＤパネルを透過できないことを意味している。このように効率が悪いので、より明るい光源が必要となり、そのために消費電力が増えるとともに、サイズが大きくなっている。これは、バッテリ駆動の携帯型のプロジェクタを実現するのが困難になっている主な原因のひとつである。従来の製造方法及び装置が有する上述の問題に鑑みると、性能を損なうことなく、軽量で、消費電力が少ない携帯型の投写装置を簡単に製造する方法が必要とされている。

本発明の第１の側面として、本発明に係る光導波路装置は、１つ以上の光源と、１つ以上の光源からの光が入射される、相互に接続された光導波路アレーと、光導波路アレーに関連し、１つ以上の光源から光導波路に入射された光を、１つ以上の光出力に切り換える複数の光スイッチとを備える。

本発明の第２の側面にとして、本発明に係る画像表示装置は、上述の光導波路装置と、光導波路装置の光導波路アレーの出力を、線形走査パターンを形成するように順次選択する光スイッチ制御回路とを備える。

本発明の第３の側面にとして、本発明に係る画像生成方法は、１つ以上の光源からの光を相互に接続された光導波路アレーに入射し、光導波路アレーに関連した複数の光スイッチを切り換えて、１つ以上の光源から光導波路に入射された光を、１つ以上の光出力に切り換え、光導波路アレーの光出力を順次選択して、線形走査パターンを形成する。

本発明の更なる側面として、本発明に係る情報表示装置は、上述した光導波路装置及び／又は画像表示装置を備える。また、本発明に係る投写表示装置は、上述した光導波路装置及び／又は画像表示装置を備える。

本発明の好ましい実施例において、表示装置及びプロジェクタ装置は、光を多く吸収する部品を用いていないので、非常に高い光透過効率を有するという利点がある。したがって、表示装置及びプロジェクタ装置は、大光量の光源を必要とせず、それによって、光源の消費電力及び実装スペースを削減することができる。構成部品を１つのチップ上に集積化することができ、二次元画像を表示する表示装置の体積を小さくすることができる。これらの要因により、本発明に係る表示装置を用いたプロジェクタ装置を、小型することができる。このように、この表示装置を用いることによって、プロジェクタ装置を、従来に比して非常に小さく、また消費電力を大幅に削減することができる。それによって、本発明は、バッテリで駆動できる携帯型の画像プロジェクタを実現するのに役に立つ。

図１は、本発明を適用した表示装置の構成を示す図であり、この表示装置は、光源２と、光導波路４と、光スイッチ６とを備える。光源２からの光は、光導波路４に入射された後、光導波路４に沿って伝搬し、複数の光スイッチ６に入射される。光スイッチ６は、制御回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、入射された光をその２つの光出力の何れかに切り換えて出射する。光スイッチ６の光出力は、次段の光スイッチ６の列の光入力に接続されており、したがって、例えば光スイッチ６の列を９段カスケード接続すると、最終段の光スイッチ６の列からは、光導波路４の５１２個の光出力が得られる。かくして、第１段目の光導波路４の光入力に入射した光を、各段の光スイッチ６により切り換えて、光導波路４の５１２個の光出力の何れか１つから出射することができる。以下、この表示装置についてより詳細に説明する。

光源２としては、発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下、ＬＥＤという。）又はレーザダイオード（Laser Diode：以下、ＬＤという。）が適している。カラー画像を表示するためには、赤、緑、青の３個のＬＥＤ又はＬＤが必要とされる。各色の光源の光強度を、好ましくは独立して変調する。

光導波路４は、複数のＹ字形分岐８を有する。各Ｙ字形分岐８には、１つの入力と２つの出力があり、すなわち光入力Ｉと、光出力Ｏ１、Ｏ２とが存在する。各Ｙ字形分岐８の接合点には、光スイッチ６が設けられている。光スイッチ６は、光入力Ｉからの入射光を、その状態に応じて光出力Ｏ１、Ｏ２の何れかに導く。換言すると、光がＹ字形分岐８に達すると、光の次の進路は光スイッチ６の状態によって決定される。

Ｙ字形分岐８は、図１に示すように、幾つかの列となるように配列されている。ここで、列（段）の数をｎとすると、光出力の数Ｎは、Ｎ＝２^ｎで表される。図１に示す５１２個の光出力を通り抜ける一連の光は、垂直ピクセルとして機能する。

図２の表示装置９に示すように、ツリー状に配列された光導波路４の光出力の端部には、それぞれマイクロレンズ１０が設けられており、これらのマイクロレンズ１０によって、出射光は平行ビームとされる。そして、図２に示すように、各光導波路４からの光は、走査ミラー１２によって水平方向に走査される。このマイクロレンズ１０と走査ミラー１２は、基板１４上に配設されている。走査ミラー１２によって反射された光は、投写光学系１６によって表示スクリーン１８上に投写され、これによって２次元の画像が表示スクリーン１８上に表示される。

光スイッチ６（すなわちＹ字形分岐８）の数Ｍは、Ｍ＝Ｎ−１によって得られる。各列に対応したｎ個の光スイッチ６を適切に選択すると、光源２からの入射光は、光導波路ツリーの所望の光出力に導かれる。すなわち、光スイッチ６は、光を所望の光出力に連続して中継するように選択される。各列の光スイッチ６のうちの、光の進路に沿った１つだけを選択しなければならない。光スイッチ６を含んだＹ字形分岐８の光透過率を９５％とすると、光導波路ツリーの光入力端から光出力端までの総光透過率は、６３％となる。この値は、ＬＣＤの効率の約５倍である。更に、光源２は、各ピクセルの暗さ（明るさ）に合わせて制御するので、光源が常に最大の明るさで光を放出しなければならないＬＣＤに比して、消費電力を大幅に削減することができる。これらの理由により、本発明に係る表示装置は、バッテリ駆動の携帯型の応用に適している。

図３は、上述の表示装置９を用いたプロジェクタ装置の構成を示すブロック図である。このプロジェクタ装置２０は、光変調回路２２と、図２の表示装置９と、光スイッチ制御回路２４と、同期回路２６と、走査ミラー制御回路２８と、図２に示す投写光学系１６とから構成されている。光変調回路２２は、入力されるコンポジットビデオ信号３１に基づいて、光源２の駆動電流３０ａ、３０ｂ、３０ｃを生成する。

ピクセルの明るさ及び色相は、光源２の三原色、すなわち赤、緑、青間に配分される電流の割合によって決まる。光源２の変調周波数は、例えば、解像度を垂直方向に４８０ピクセル、水平方向に６４０ピクセルとし、フレームレートを６０Ｈｚとすると、１８．４３２ＭＨｚとなる。光変調回路２２は、それぞれが１８．４３２ＭＨｚの駆動電流３０ａ、３０ｂ、３０ｃを生成して、光源２の各素子に供給する。走査ミラー制御回路２８は、走査ミラー１２の駆動信号を生成する。同期回路２６は、コンポジットビデオ信号３１に含まれている同期パルスに基づいたタイミングによって、光変調回路２２、光スイッチ制御回路２４及び走査ミラー制御回路２８を動作させ、光変調回路２２、光スイッチ制御回路２４及び走査ミラー制御回路２８の駆動電流を同期させる。

マイクロレンズ１０は、例えば透明樹脂又は二酸化珪素から製造できる。マイクロレンズ１０を透明樹脂製とするときには、少量の液状樹脂を所望の位置に滴下した後、熱又は紫外線で重合させることにより、製造する。マイクロレンズ１０として二酸化珪素製のレンズを用いるときには、二酸化珪素膜を成膜し、その膜を所望の形状となるようにエッチングする。

水平走査ミラー１２は、これに限定されるものではないが、特に、水平走査ミラー１２の作製に適した微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical System：以下、ＭＥＭＳという。）技術を用いて作製される。水平走査ミラー１２は、マイクロレンズと、アクチュエータとからなり、これらはフォトリソグラフィック技術で製造される。水平走査ミラー１２を表示装置９内に設ける代わりに、プロジェクタ装置２０に設けることもできる。この場合、ミラーとしては、回転ポリゴンミラーが適している。

図４は、光スイッチ６の具体的な構成を示す図である。一対の液晶セルＬＣ１、ＬＣ２がスイッチング素子として機能する。スイッチング素子、すなわち液晶セルＬＣ１、ＬＣ２は、Ｙ字形分岐８の光出力Ｏ１、Ｏ２を遮断するように設けられている。これらの素子としては、スイッチング速度の観点から、強誘電性液晶（Ferroelectric Liquid Crystal：以下、ＦＬＣという。）が適している。

液晶セルＬＣ１に正の電圧Ｅｐを印加すると、液晶セルＬＣ１の屈折率は、光導波路４の屈折率ｎ０と等しくなる。液晶セルＬＣ１の屈折率が光導波路４の屈折率に等しくなると、光導波路４中を伝搬する光は、液晶セルＬＣ１を透過する。

液晶セルＬＣ１に負の電圧Ｅｎを印加すると、液晶セルＬＣ１の屈折率はｎ１に変化し、屈折率ｎ１が屈折率ｎ０と比べて十分小さい場合、光出力Ｏ２に向かう全ての光は、光導波路４と液晶セルＬＣ１の境界面において反射される。そして、液晶セルＬＣ２に正の電圧Ｅｐを印加すると、光入力Ｉから入射された光の全ては、液晶セルＬＣ２を透過して、光出力Ｏ２から出射される。

図５は、図４に示す種類のＦＬＣセルの状態の変化を示す図である。

図１では、図面を簡単にするために、光導波路４を直線の組合せで構成されるとして示しているが、光導波路４の実際の形状は、急な曲がりによって生じる伝搬損を避けるために、滑らかな曲線で構成しなければならない。湾曲した光導波路の曲率半径は、その幅よりも少なくとも数百倍大きくしなければならない。曲げによる損失を考慮して設計した光導波路４の形状を図６に示す。

光導波路４のコアの材質は、可視光に対して低吸収、低分散であることが必要である。また、光導波路４の屈折率は、自由に且つ正確に調整できることが重要である。光導波路４に適した材料としては、これらの条件を満たした、例えばアクリル材又はエポキシ材を用いることができる。

本発明を実現する上述した表示装置９は、光を多く吸収する部品を用いていないので、高い光透過効率を有する。したがって、表示装置９は、大光量の光源を必要とせず、それによって、光源の消費電力及び実装スペースを削減することができる。この表示装置９を構成する部品は、１つのチップ上に集積化することができ、二次元画像を表示する表示装置の体積を、小さくすることができる。これらの要因により、プロジェクタ装置を、小型することができる。このように、この表示装置を用いることによって、プロジェクタ装置を、従来に比して非常に小さく、また消費電力を大幅に削減することができる。それによって、本発明は、バッテリで駆動できる携帯型の画像プロジェクタを実現するのに役に立つ。

上述した本発明の実施例には、様々な変更を加えることができる。例えば、上述した実施例に対して他の部品及び方法のステップを追加又は削除することができる。特に、この実施例においては、垂直ピクセルを形成する光導波路ツリーと水平ピクセルを形成する走査ミラーは、好ましい具体例として説明している。しかしながら、別の構成とすることもできる。例えば、水平ピクセルを光導波路ツリーで形成し、垂直ピクセルを走査ミラーで形成してもよい。これらに代えて、垂直及び水平の両方のピクセルを光導波路ツリーで形成することもできる。この構成においては、垂直ピクセルを第１の光導波路ツリーで形成し、それらの光出力を、第１の光導波路ツリーに直交する方向の第２の光導波路ツリーのそれぞれの光入力に入射し、第２の光道波路ツリーの光出力を画像における水平ピクセルとしてもよい。以上、本発明を特定の実施例を用いて説明したが、請求の範囲を逸脱することなく、様々な実施例が可能であることは、当業者にとっては明らかである。

本発明を適用した表示装置の構成を示す図である。 本発明を適用した表示装置の水平走査機構及びラスタ走査画像を示す図である。 本発明を適用した表示装置を用いたプロジェクタ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例における液晶物質を用いた光スイッチの構成を示す図である。 図４に示す液晶物質の２つの状態を示す図である。 本発明の実施例における光導波路の具体的な設計を示す図である。

符号の説明

２ 光源、４ 光導波路、６ 光スイッチ、８ Ｙ字形分岐、９ 表示装置、１０ マイクロレンズ、１２ 走査ミラー、１６ 投写光学系、２２ 光変調回路、２４ 光スイッチ制御回路、２６ 同期回路、２８走査ミラー制御回路

Claims (27)

1. １つ以上の光源と、
   上記１つ以上の光源からの光が入射される、相互に接続された光導波路アレーと、
   上記光導波路アレーに関連し、上記１つ以上の光源から光導波路に入射された光を、１つ以上の光出力に切り換える複数の光スイッチとを備える光導波路装置。
2. 上記相互に接続された光導波路は、複数の分岐と、該複数の分岐が接続される複数の接合点とを有し、ツリー構造に配列されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路装置。
3. 上記光スイッチは、上記接合点に設けられていることを特徴とする請求項２記載の光導波路装置。
4. 上記１つ以上の光源、上記相互に接続された光導波路及び上記１つ以上の光スイッチのうちの２つ以上は、共通に基板上に設けられていることを特徴とする請求項１記載光導波路装置。
5. 更に、
   上記光導波路の光出力に設けられ、その透過光を平行にする１つ以上のマイクロレンズを備える請求項１記載の光導波路装置。
6. 上記１つ以上のマイクロレンズは、上記１つ以上の光源、上記相互に接続された光導波路及び上記１つ以上の光スイッチのうちの２つ以上が設けられた共通の基板上に設けられていることを特徴とする請求項５記載の光導波路装置。
7. 更に、
   上記光導波路の光出力に設けられ、画像を形成するために上記１つ以上のマイクロレンズからの光を偏向する１つ以上の走査ミラーを備える請求項５記載の光導波路装置。
8. 上記１つ以上の走査ミラーは、上記１つ以上の光源、上記相互に接続された光導波路、上記１つ以上の光スイッチ及び上記１つ以上のマイクロレンズのうちの２つ以上が設けられた共通の基板上に設けられていることを特徴とする請求項７記載の光導波路装置。
9. 上記光導波路アレーは、複数のＹ字形分岐からなることを特徴とする請求項２記載の光導波路装置。
10. 上記走査ミラーは、二次元画像を形成するために、上記光導波路アレーの光出力の平面に対して略直交する方向の平面内に配置されていることを特徴とする請求項７記載の光導波路装置。
11. 上記請求項１記載の光導波路装置と、
    上記光導波路装置の第１の光導波路アレーの出力を、線形走査パターンを形成するように順次選択する光スイッチ制御回路とを備える画像表示装置。
12. 更に、
    更なる線形走査パターンを形成するように上記１つ以上の走査ミラーを偏向する走査ミラー制御回路を備える請求項１１記載の画像表示装置。
13. 上記線形走査パターンは、水平走査パターン又は垂直走査パターンであることを特徴とする請求項１１記載の画像表示装置。
14. 上記更なる線形走査パターンは、水平走査パターン又は垂直走査パターンであることを特徴とする請求項１２記載の画像表示装置。
15. 更に、
    入力ビデオ信号によって駆動され、上記１つ以上の光源を変調する光変調回路を備える請求項１１記載の画像表示装置。
16. 更に、
    上記光導波路の光出力に設けられ、その透過光を平行にする１つ以上のマイクロレンズと、
    上記マイクロレンズからの光が入射され、その透過光をスクリーン上に透写して２次元画像を形成する投写光学系とを備える請求項１１記載の画像表示装置。
17. 更に、
    入力信号に基づいて上記１つ以上の光源を変調する光変調回路と、
    上記１つ以上の光源からの光を上記第１の光導波路アレーの各光出力に順次切り換える光スイッチ制御回路と、
    上記１つ以上の走査ミラーを駆動して、上記第１の光導波路アレーからの平行光を、該第１の光導波路アレーの光出力の平面に対して略直交する平面内で偏向する走査ミラー制御回路と、
    上記走査ミラー制御回路及び光スイッチ制御回路の動作を制御する同期回路と、
    上記第１の光導波路アレーの走査された光を、スクリーン上に合焦点させる投写光学系とを備え、
    二次元画像を形成することを特徴とする請求項１１記載の画像表示装置。
18. 入力信号に基づいて、上記１つ以上の光源を変調する光変調回路と、
    上記１つ以上の光源からの光を上記第１の光導波路アレーの各光出力に順次切り換える光スイッチ制御回路と、
    上記光スイッチ制御回路の動作を制御する同期回路と、
    上記第１の光導波路アレーの走査された出力光を、スクリーン上に合焦点させる投写光学系とを備え、
    二次元画像を形成することを特徴とする請求項１１記載の画像表示装置。
19. 更に、
    上記第１の光導波路アレーが配設された平面に略直交する平面内に配設されるとともに、該第１の光導波路アレーの各光出力に接続された第２の光導波路アレーと、
    上記第２の光導波路アレーの光出力に接続可能に設けられた複数のマイクロレンズと、
    上記第１及び第２の光導波路アレー内の光スイッチを制御する光スイッチ制御回路と、
    上記第２の光導波路アレーの光出力をスクリーン上に合焦点させて、画像を形成する投写光学系とを備える請求項１１記載の画像表示装置。
20. 上記請求項１１記載の画像表示装置を用いて、画像を生成する画像生成方法。
21. １つ以上の光源からの光を相互に接続された第１の光導波路アレーに入射し、
    上記第１の光導波路アレーに関連した複数の光スイッチを切り換えて、上記１つ以上の光源から光導波路に入射された光を、１つ以上の光出力に切り換え、
    上記第１の光導波路アレーの光出力を順次選択して、線形走査パターンを形成する画像生成方法。
22. 更に、
    １つ以上の走査ミラーを駆動して、上記第１の光導波路アレーからの平行光を、該第１の光導波路アレーの平面に略直交する面において偏向し、
    上記第１の光導波路アレーからの走査された光をスクリーン上に合焦点する請求項２１記載の画像生成方法。
23. 上記第１の光導波路アレーから出射された光を、該第１の光導波路アレーの平面に略直交する平面内に配設されるとともに、該第１の光導波路アレーの各光出力に接続された第２の光導波路アレーに入射し、
    上記第２の光導波路アレーの各光出力からの光を複数のマイクロレンズに入射し、
    上記第２の光導波路アレーに関連した複数の光スイッチを切り換えて、上記第１の光導波路アレーから入射される光を、１つ以上の光出力に切り換え、
    上記第２の光導波路アレーからの光をスクリーン上に合焦点する請求項２１記載の画像生成方法。
24. 上記請求項１記載の光導波路装置を備える情報表示装置。
25. 上記請求項１記載の光導波路装置を備える投写表示装置。
26. 上記請求項１１記載の画像表示装置を備える情報表示装置。
27. 上記請求項１１記載の画像表示装置を備える投写表示装置。

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