JP2005227324A - 表示素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路の端部から光を入射させ、光導波路内で繰り返し伝播光を全反射させて光路長を長くし、光導波路に設けた光スイッチを動作させて物理的変化を励起し、光導波路内から外部に取り出すようにすることにより、光源から光導波路に入射した光を高い効率で均一に取り出せる表示素子を得ることを目的とする。
【解決手段】光源２と、光源２からの光をその端部４から入射させ伝播する光導波路３とを有し、光導波路３の少なくとも観察者側の表面に設けた反射型偏光板５と、光導波路３の少なくとも一部に設けた光スイッチ６とを有し、光スイッチ６を動作させ物理的変化を励起して偏光状態を変化させた伝播光７を、光導波路３内から観察者側の反射型偏光板５を通して外部に取り出すように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路の端部から光を入射し、画像情報に応じて光導波路から光を取り出すことにより表示を行う表示素子およびこれを使用した薄型の表示装置に関する。

従来の光導波路から光を取り出すディスプレイとしては、セラミックの圧電体膜からなるアクチュエータ部に電圧を印加して、アクチュエータ部の静止と変位を行わせ、アクチュエータ部に接続する変位伝達部の光導波板への接触、離隔を制御することにより、所定部位の漏光を制御したものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。この方式のディスプレイは大型表示パネルとして商品化されている（例えば、非特許文献１参照）。

上記従来技術は、光導波路と変位伝達部を光の波長以下の距離で接触させることにより、光導波路内で全反射していた光を光導波路外へ洩光させる、いわゆるエバネッセント波を取り出すものである（特許文献１の段落（０００９）、特許文献２の請求項１）。例えば、特許文献１の図１、図４などに示されているように、平板状の光導波路に、アクチュエータ部に繋がった変位伝達部のフラットな表面が光導波路に接触するか否かで光導波路からの光の取り出しを制御している。特許文献２の図３にはエバネッセント波の抽出面への透過率を、導光部と抽出面との距離を横軸に、入射角を５０〜８０度の場合で計算しており、距離が０．１〜０．０５μｍで透過率が５０％程度になる、と記されている。
特開平７−２８７１７６号公報（第３頁、段落（０００９）） 特開平１１−２０２２２２号公報（図３） "セラムビジョン、セラムボード"のカタログ、日本碍子株式会社、〔平成１４年７月２５日検索〕、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｇｋ．ｃｏ．ｊｐ／ＥＬＥ／ｐｒｏｄｕｃｔ／０７／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞

特許文献１および特許文献２の技術では、平板状の光導波路に、アクチュエータ部に繋がった変位伝達部のフラットな表面を光の波長以下の距離で接触させることにより、光導波路内で全反射していた光からのエバネッセント波を光導波路の外部へ取り出す表示素子としているが、光源から光導波路に入射した光を取り出す効率が低く、表示装置としての消費電力が大きくなるという問題がある。また、光導波路へ押し付ける圧力を大きくしないと明るさが不十分となり、かつ光導波路へ押し付ける圧力が表示素子毎に不均一となり易く、その結果、表示装置としての明るさが不均一になるという大きな問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、光導波路の端部から光を入射させ、光導波路内で繰り返し伝播光を全反射させて光路長を長くし、光導波路に設けた光スイッチを動作させて物理的変化を励起し、光導波路内から外部に取り出すようにすることにより、光源から光導波路に入射した光を高い効率で均一に取り出せる表示素子と、また上記表示素子を複数個使用して画像情報に応じて選択して動作させることにより、明るく低消費電力で輝度が均一な表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の表示素子は、光源と、光源からの光をその端部から入射させ伝播する光導波路とを有する表示素子であって、光導波路の少なくとも観察者側の表面に設けた反射型偏光板と、光導波路の少なくとも一部に設けた光スイッチとを有し、光スイッチを動作させ物理的変化を励起して偏光状態を変化させた伝播光を、光導波路内から観察者側の反射型偏光板を通して外部に取り出し表示するように構成したことを要旨とする。また、具体的には、反射型偏光板は、反射型偏光板の面に対してほぼ垂直あるいはほぼ水平な成分の特定の偏光を有する伝播光をほぼ全反射するように、誘電体多層膜を形成してなるものであることを特徴とするものである。

これにより、光源から光導波路に入射し反射型偏光板で繰り返し反射する伝播光を、光スイッチの動作に応じて、光導波路内から効率よく均一に取り出せる表示素子とすることができる。また、反射型偏光板は、その面に対してほぼ垂直あるいはほぼ水平な特定の偏光成分を有する伝播光を繰り返し全反射させて光導波路内を伝播させるので、伝播光の減衰が低くさらに効率が高い表示素子とすることができる。

また、好ましくは、本発明の表示素子における光源からの光は、光導波路内で入射角０度＜θ≦４２度の範囲で伝播することを特徴とするものである。また、さらに好ましくは、その入射角は２度≦θ≦２０度の範囲にあることを特徴とするものである。また、詳しくは、本発明の表示素子における物理的変化が、光導波路の一部における屈折率、反射率、媒質密度および形状から選択した少なくとも一つの物理的変化であることを特徴とするものである。また、さらに詳しくは、本発明の表示素子における光スイッチは、光導波路型光スイッチであることを特徴とするものである。具体的には、光スイッチは、光導波路を形成した電気光学効果素子によって形成され、電気光学効果素子に電圧を印加することにより、光導波路の屈折率を変化させることを特徴とするものである。また、さらに具体的は、電気光学効果素子は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）およびＰＬＺＴより選択された少なくとも１群を含む無機系電気光学材料から形成され、少なくとも対向する電極を前記光導波路を挟んで設けていることを特徴とするものである。あるいは、電気光学効果素子は、有機系非線形光学物質を含んだ電場配向ポリマーから形成され、少なくとも対向する電極を光導波路を挟んで設けていることを特徴とするものである。

また、別に詳しくは、本発明の表示素子における光スイッチは、光導波路の少なくとも一部に音響光学効果素子を有し、音響光学効果素子を動作させることにより、光導波路の媒質密度を変化させることを特徴とするものである。

また、別に詳しくは、本発明の表示素子における光スイッチは、光導波路に接して電界効果型液晶素子を配置して構成され、液晶素子に電圧を印加して液晶素子の屈折率を変化させることにより、光導波路の少なくとも周囲一部の屈折率異方性を変化させることを特徴とするものである。

また、別に詳しくは、本発明の表示素子における光スイッチは、傾斜した反射板を設けたアクチュエータを外部に具備し、アクチュエータを動作させ、反射板を光導波路に接触させることにより、光導波路の少なくとも周囲一部の反射角度を変化させ、偏光状態を変化させることを特徴とするものである。

また、別に詳しくは、本発明の表示素子における光スイッチは、アクチュエータを外部に具備し、アクチュエータを動作させ、光導波路の少なくとも表面近傍を変形させてその形状を変化させ、偏光状態を変化させることを特徴とするものである。

また、別に詳しくは、本発明の表示素子における光スイッチは、少なくとも空気より高い屈折率を有する媒体を近接して構成され、媒体を光導波路にほぼ移動させることにより、光導波路の少なくとも周囲一部の屈折率を変化させ、偏光状態を変化させることを特徴とするものである。

また、本発明の表示装置は、複数個の上記表示素子と、光源駆動回路と、光スイッチ駆動回路と、光源駆動回路と光スイッチ駆動回路とを制御する制御回路とを少なくとも具備するものである。また、具体的には、本発明の表示装置は、画像情報に応じて、複数個の光スイッチを光スイッチ駆動回路により選択的に線順次走査駆動するとともに、それと同期して複数個の光源の輝度を光源駆動回路により変調制御して表示するように構成したことを特徴とするものである。

これにより、上記表示素子を複数個使用して画像情報に応じて選択して動作させ、複数本の光導波路内の伝播光を効率良く均一に取り出し、明るく低消費電力で輝度が均一な表示装置とすることができる。

なお、以上に述べた各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。

以上のように、本発明の表示素子によれば、光導波路の端部から光を入射させ、特定の偏光成分を有する伝播光を繰り返し全反射させて光導波路内を伝播させる反射型偏光板を少なくとも光導波路表面に設け、光導波路の一部に光スイッチを設け、光スイッチを動作させ物理的変化を励起して偏光状態を変化させた伝播光を光導波路内から反射型偏光板を通して外部に取り出すように構成することにより、反射型偏光板の使用により、入射角を小さくでき、光路長を長くすることができるので、屈折率異方性△ｎが非常に小さいが高速の光学効果素子を使用して光変調を行え、光スイッチの動作に応じて光導波路内から高い効率で取り出せる表示素子とすることができる。

また、本発明の表示装置によれば、複数個の上記表示素子と、光源駆動回路と、光スイッチ駆動回路と、光源駆動回路と光スイッチ駆動回路とを制御する制御回路とを少なくとも具備し、画像情報に応じて、複数の光スイッチを光スイッチ駆動回路により選択的に線順次走査駆動するとともに、それと同期して光源の輝度を光源駆動回路により強度変調して、表示するように構成することにより、画像情報に応じて表示素子を選択して動作させ、複数本の光導波路内の伝播光を効率よく均一に取り出し、明るく低消費電力で表示面の輝度が均一な表示装置とすることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の表示素子の構成を示す断面概念図である。図１において、表示素子１は、発光ダイオードや半導体レーザあるいはランプと高速光変調器などからなる光源２と、光源２からの入射光を伝播するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）系電気光学効果材料から形成した厚さ約２０μｍの板状の光導波路３と、光導波路３の少なくとも観察者（図示省略）側の表面に設けた反射型偏光板５と、光導波路３の少なくとも一部に設けた光スイッチ６とを少なくとも有するように形成し構成する。光導波路３の形状は、平面状の表示素子形成のためには板状の導波路が好ましいが、その断面が円状、楕円状など他の形状でもよく、また、光学的に設計が可能であればクラッドをコアの外側に設けたものでもよい。

反射型偏光板５は、反射型偏光板５の面に対してほぼ垂直あるいはほぼ水平な成分の特定の偏光を有する伝播光７をほぼ全反射するように、例えば異方性と等方性の誘電体膜の繰り返し積層膜などからなる誘電体多層膜を樹脂フィルムやプラスチック基板上に形成してなるものである。このような反射型偏光板５として、例えば住友スリーエム（株）製の反射型偏光板（ＤＢＥＦ）があり、本実施の形態１では反射型偏光板５として光導波路３の少なくとも観察者側の表面に配置する。上記特定の偏光以外の成分を有する伝播光７の場合においては、全反射することができなくなり、反射型偏光板５から漏れ出る性質を有するものである。

また、光導波路３の観察者側とは反対側の裏面には、反射板１５を設ける。反射板１５として、住友スリーエム（株）製の多層膜構成からなる反射フィルム（ＥＳＲ）を使用する。反射板は光吸収が小さく光散乱が少ない高反射率性能を有するものが望ましい。

図１において、光源２からの光は、例えば偏光板１０で偏光させたような特定の入射偏光が好ましく、配置した反射型偏光板５に対して垂直偏光あるいは水平偏光の光を、光導波路３内を約６〜１４度の入射角度で伝播するように光導波路３の端部４に入射させた。この伝播角度は、通常の光通信用の光導波路における伝播角度より低い値である。本実施の形態１においては、通常の光通信における場合より、伝播光の入射角を小さくして、反射型偏光板５と反射板１５とにより繰り返し全反射しながら光路長を長くすることができるのが特徴である。

光導波路３の伝播光７は、反射型偏光板５と反射板１５とにより入射角０度＜θ≦４２度の範囲で繰り返し全反射しながら光導波路３の中を伝播するようにできる。入射角４２度は光導波路／空気界面における全反射角であり、これより大きい入射角では光路長が短くなって、光の取り出し効率が小さくなり、かつ不均一となる。本発明において望ましくは、入射角２０度でさらに十分な光路長を得ることができる。また、光路長の観点からさらに小さい伝播入射角の方がよいが、入射角２度程度が入射できる限度であろう。従って、望ましくは上述の如く、２度≦θ≦２０度の範囲の小さい入射角の伝播光によりさらに光路長を長くでき、後述する光スイッチにおいてさらに効率よく使用することができる。

図１において、光スイッチ６は、表示素子１に設けた光導波路３の少なくとも一部に、あるいは光導波路３の全長に渡って、光導波路型の光スイッチとして形成する。光スイッチ６は、表示素子における物理的変化として、光導波路の一部における屈折率、反射率、媒質密度および形状から選択した少なくとも一つの物理的変化を付与し、具体的には、これらの物理的性質に光学的異方性を付与させるものである。本実施の形態１においては、光スイッチ６を、光導波路３を少なくとも形成した電気光学効果材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）主体の高速応答する電気光学効果素子８によって形成する。この電気光学効果はいわゆるポッケルス効果であり、電界印加により非線形１次の変化で屈折率が変わる効果である。光導波路３を挟んで対向して形成した錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）透明電極で形成した電極９によって電気光学効果素子８に電圧を印加することにより、表示素子１における物理的変化として、光導波路３の屈折率を変化させ、屈折率異方性を変化させ複屈折を生じさせる。

図１において、電気光学定数γ＝約３０ｐｍ／Ｖを有するニオブ酸リチウム主体で形成した電気光学効果素子８を有する光スイッチ６の電極９に電圧（例えば、１０Ｖ／μｍ）を印加する。この時、屈折率変化である屈折率異方性は△ｎ＝０．０００３程度の小さい値である。しかし、本発明においては、伝播入射角θが６〜１４度の低入射角で、伝播光７は反射型偏光板５と反射板１５との間を繰り返し全反射して伝播させることができ、光導波路における画素の長さをＬ、光スイッチ６の繰り返し全長に相当する光路長をｄとすると、ｄ〜Ｌ／ｓｉｎθとして光路長を長くすることができる。光導波路において画素の長さＬが約２００μｍの形状の時、光路長ｄに渡って励起され誘起される光路差△ｎｄは、以下に示す（数１）により０．２５〜０．５５μｍとなり、大きな複屈折を生じる。

（数１） △ｎｄ＝△ｎ×Ｌ／ｓｉｎθ
光スイッチ６に電圧を印加した電気光学効果素子８の光導波路３の中の伝播光７は、（数１）による複屈折変化により長い光路長に渡って次第に偏光状態を変化させて偏波面を回転させていく。偏光状態が変化した伝播光７は、反射型偏光板５で全反射できず、光導波路３の中から観察者側の反射型偏光板５を通して外部に効率よく漏れ出て取り出され、観察者は光を認識する。光スイッチ６へ電圧を印加しない場合は、伝播光７は、反射型偏光板５と反射板１５との間で繰り返し全反射しながら光導波路３の中をそのまま伝播していくため、観察者は光を認識しない。

実験の結果、電気光学効果素子８への印加電圧が大きいほど光導波路３における偏光状態の変化が大きくなり、電圧をゼロから徐々に大きくするにつれて取り出し光の輝度増加が認められた。そして、印加電圧が２００Ｖ程度で飽和し、入射偏光の９０％以上を外部へ取り出すことができた。これは、従来例であるエバネッセント波の取り出し方式による表示素子の効率より大きい。

これにより、本発明の実施の形態１の表示素子は、光導波路の端部から光を入射させ、光導波路表面に反射型偏光板、裏面に反射板を設け、光導波路の一部に電気光学効果素子からなる光スイッチを設け、光スイッチを動作させ物理的変化である屈折率変化を励起して伝播光の偏光状態を変化させ、光導波路内から表面の反射型偏光板を通して伝播光を外部に取り出すように構成する。これにより、光源から光導波路に入射し反射型偏光板と反射板との間で繰り返しほぼ全反射する伝播光を、光スイッチの動作に応じて、従来のエバネッセント波の取り出しの場合よりも、本発明において、光導波路内からの取り出し効率を大きくでき、かつ均一に取り出せる表示素子とすることができた。

また、本発明における反射型偏光板の使用により、入射角を小さく伝播させて光路長を長くすることができ、屈折率異方性△ｎが小さいが高速動作が可能な電気光学素子を光スイッチとして使用した表示素子とすることができる。

また、本発明の表示素子は、反射型偏光板が、その面に対してほぼ垂直あるいはほぼ水平な特定の偏光成分を有する伝播光を繰り返し全反射させて光導波路内を伝播させるので、伝播光の減衰が低くさらに効率が高い表示素子とすることができる。

なお、本発明における光スイッチは、電気光学効果素子として、上記に述べたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の他に、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＰＬＺＴなどの無機系電気光学材料を含んで形成することができるが、他の有効な各種無機系電気光学材料も使用することができる。望ましくは、光学的に透明で電気光学定数が大きい電気光学材料によって形成するのがよい。

また、本発明における光スイッチは、電気光学効果素子として、上記無機系電気光学材料を使用して説明したが、有機系非線形光学物質を含んだ以下に述べる電場配向ポリマー、あるいは上記電場配向ポリマーからなる光導波路を形成し、少なくとも対向する電極を電場配向ポリマーあるいは電場配向ポリマーからなる光導波路を挟んで設ける構成としても構わない。有機系非線形光学物質を含んだしなやかな電場配向ポリマーを使用することにより、フレキシブルな表示素子を形成することが可能である。

上記において、電場配向ポリマーは、広帯域な変調を行うにあたり、低誘電率材料を用いることが必要であり、低誘電率な有機ポリマー中に２次の光非線形性の大きい有機材料を結合あるいは分散し、これを電場下で配向させて大きな電気光学定数を得るものである。電場配向ポリマーとして、例えば、アゾ色素を分散あるいは結合させた透明性高分子であるＰＭＭＡ、ニトロアニリン化合物を結合させたアセタールポリビニルアルコール、ＮＰＰを高濃度に結合させたポリフェニレンエーテルが使用できる。さらに、耐熱性や信頼性向上のために、架橋性電気光学材料である光非線形性のエポキシ系材料、主鎖型ポリマー構造化のためのアゾ系色素を結合させたポリウレタン、ポリアミドからなる光非線形性材料を組み込んだポリマーが使用できる。また、マトリクス高分子として耐熱性の高いポリイミドを使用し、光非線形性材料として、エリオクロームブラックＴ色素、トリアリルイミダゾール系色素、アルキルアミノアゾベンゼンが使用できる。また、フッ素置換ポリイミドや、摂氏３００度以上の熱安定性を有するイミド構造の非線形性材料、あるいは、シアノアゾベンゼンを溶解させて自発分極した強誘電性高分子材料であるＰＶＤＦなどの材料からなる電場配向ポリマーが使用できる。

また、上記において、光源としては出射光の指向性が高いものが、効率よく光を取り出すために好ましい。光導波路／空気界面での全反射角は４２度である。導波路への入射角（光導波路主面法線となす角）が全反射角θｚ＝４２度より小さいと、光は反射型偏光板により全反射し光導波路に戻るが、逆に入射角が大きくなり、光が光導波路長軸方向に平行に近づくと、光導波路／空気界面で全反射を繰り返す距離間隔の光路長ｄが非常に大きくなって、光取り出し部を飛び越してしまう箇所も出来て、効率の低下、輝度ムラの発生を招く。これらの理由から、光源光の光導波路への入射角は全反射角より小さい、上記のような低入射角で入射させることができる指向性の高い光源が好ましい。例えば、ＬＥＤの場合は、モールドするレンズの形状によってその指向性を変えることができる。

また、上記において、光導波路の厚みは、厚すぎると光導波路／空気界面で全反射を繰り返す回数が多くなって光路長が長くなりすぎて伝播光が減衰し、選択された光スイッチの部分における画素において取り出すことができる光量が弱くなるので、厚すぎてはいけない。光スイッチにおける光導波路内の偏光状態を変化させる部分は、光導波路の厚みに比べて小さい場合は、画素の幅の１／２以下とするのが取り出し効率の点から好ましい。一方、光導波路の厚みが薄すぎると、光導波路で伝播できる光の角度が限定されるシングルモードに近づいて伝達できる光量が減少するし、また、薄すぎると光を入射しにくくなるが、ＬＥＤ光源のコヒーレント長（数μｍ）より十分大きければよいので、少なくとも１０μｍ以上であることが望ましい。

また、本発明の表示素子における光導波路の素材として、ニオブ酸リチウム系材料を用いて説明したが、電気光学効果を有する光導波路材料や、プラスチック光導波路材料であれば構わない。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の表示素子の構成を示す断面概念図である。図２において、図１と同じ構成のものは同じ参照番号を付与する。図２において、図１と異なるのは、表示素子１１における、光スイッチ１６が、表示素子における物理的変化として、光導波路１３の一部における媒質密度を変化させるという物理的変化を付与し、具体的には、その異方性を付与させるものである。本実施の形態２においては、光スイッチ１６を、光導波路１３である音響光学効果材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）薄膜を形成した音響光学効果素子１８によって作成する。

光スイッチ１６は、音響光学効果材料あるいは圧電性光学材料から形成された光導波路型の光スイッチとして、生起せしめられる表面弾性波により屈折率を変化させる音響光学効果を利用したものである。音響光学効果とは、音波が透明媒質の屈折率を変調する効果であり、縦波音波に伴う密度変動によって屈折率が周期的に変調される媒質を透過する光は，音波の周波数領域によって作用を受ける。音波の進行方向にほぼ垂直に入射する平面波の光波が，音波による媒質の屈折率の変化のために位相のずれを生じる。

図２において、光スイッチ１６は、透明な音響光学効果薄膜を有する光導波路１３の裏面に設けた一対の櫛形の電極１９で構成される音響光学効果素子１８として形成する。そして一対の櫛形の電極１９への電圧印加により光導波路に送出された音波が、光導波路の媒質密度を周期的に変化させて屈折率変化を生じさせ、反射型偏光板５と反射板１５との間を繰り返し全反射しながら、音波面と垂直方向に進行してきた伝播光７の偏光状態を変化させる。そして、偏光状態が変化した伝播光７は、反射型偏光板５で全反射できず、光導波路１３の中から観察者側の反射型偏光板５を通して外部に、入射偏光の約７５％が漏れ出て取り出され、観察者に光が観察された。

これにより、本実施の形態２の表示素子は、光導波路の端部から光を入射させ、少なくとも光導波路表面に反射型偏光板を設け、光導波路の一部に音響光学効果素子からなる光スイッチを設け、光スイッチを動作させ物理的変化である媒質密度変化を励起して偏光状態を変化させた伝播光を、光導波路内から表面の反射型偏光板を通して外部に取り出すように構成する。これにより、光源から光導波路に入射し反射型偏光板で繰り返し反射する伝播光を、光スイッチの選択動作に応じて、従来のエバネッセント波の取り出しの場合よりも、光導波路内からの取り出し効率を大きくでき、かつ均一に取り出せる表示素子とすることができる。

また、本実施の形態２において、音響光学素子材料としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を使用するとして説明したが、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などの他の音響光学効果材料や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明な圧電性光学材料を使用しても構わない。望ましくは、光学的に透明で音響光学定数が大きい音響光学材料や圧電性材料によって形成するのがよい。

また、一対の櫛形の電極を光導波路の観察者側とは反対側の裏面に設けて説明したが表面に設けてもよいし、また、両面に設けても構わない。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の表示素子の構成を示す断面概念図である。図３において、図１、図２と同じ構成のものは同じ参照番号を付与する。表示素子２１における光スイッチ２６は、反射板１５との間に電圧印加のための櫛形の電極２９を設けた電界効果型液晶素子２８を光導波路２３に接して配置し、電界効果型液晶素子２８に電圧を印加して液晶分子配向（図示省略）を変化させて液晶素子の屈折率を変化させ、光導波路２３の少なくとも周囲一部の屈折率を変化させて屈折率異方性を変化させるように構成する。

具体的には、電界効果型液晶素子２８の液晶動作方式として、水平方向に対向して設けた一対の櫛形の電極２９への約１０Ｖの電圧印加により、厚さ約１μｍの液晶層の液晶分子を基板に対して平行な面内において回転させる方式である、液晶表示技術として公知の技術であるＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード（横電界方式）を使用する。

公知の技術であるため詳しく説明しないが、通常、液晶材料はＩＰＳ方式などで使用する電界効果型液晶材料を使用し、液晶分子を配向させるための配向処理を事前に行う必要がある。光スイッチ２６に電圧を印加した上記ＩＰＳ方式である電界効果型液晶素子２８の液晶分子の動作によって、進入してきた直線偏光は光導波路２３面に平行な面内で斜めに回転する。これにより、光導波路２３の中の伝播光７は、その光路長に渡って、次第に偏光状態を変化させ、光導波路２３面に平行な面内で斜めに回転して偏光状態が変化した成分の伝播光７は、反射型偏光板５で全反射できず、光導波路２３の中から観察者側の反射型偏光板５を通して外部に入射偏光の約７５％が漏れ出て取り出され、観察者に光の有無が観察された。

また、液晶相の厚みは、上記よりさらに薄くてもよく、０．１μｍ程度でさらに高速動作させることができる。

上記本実施の形態３において、電界効果型液晶素子として、ＩＰＳ方式の液晶素子を使用して説明したが、他の電界効果型液晶表示方式を使用しても構わない。

上記により、本発明の表示素子は、光導波路の端部から光を入射させ、少なくとも光導波路表面に反射型偏光板を設け、光導波路の少なくとも一部に光スイッチを設け、光スイッチを選択的に動作させ屈折率の変化や媒質密度などの物理的変化を励起し、偏光状態を変化させた伝播光を光導波路内から反射型偏光板を通して外部に取り出すように構成することにより、光源から光導波路に入射し反射型偏光板で繰り返し反射する伝播光を、光スイッチの選択動作に応じて光導波路内から効率よく均一に取り出せる表示素子とすることができる。光スイッチとして、電界効果型液晶素子を使用した場合には、液晶の応答速度のため遅いが、行数の少ない小型の表示装置として使用できる。しかし、上述の如く、液晶相の厚みを０．１μｍ程度にすればさらに高速動作させることができる。

なお、本発明の表示素子におけるさらに別の方法による光スイッチとして、以下の光スイッチを用いても構わない。傾斜した反射板を設けたアクチュエータを外部に具備して構成し、アクチュエータを選択的に動作させ、反射板を光導波路に接触させることにより、光導波路の少なくとも周囲一部の反射角度を変化させ、偏光状態を変化させる光スイッチとしてもよい。

また、本発明の表示素子におけるさらに別の方法による光スイッチとして、以下の光スイッチを用いても構わない。アクチュエータを外部に具備し、アクチュエータを選択的に動作させ、光導波路の少なくとも表面近傍を変形させてその形状を変化させ、偏光状態を変化させる光スイッチとしてもよい。

また、本発明の表示素子におけるさらに別の方法による光スイッチとして、以下の光スイッチを用いても構わない。少なくとも空気より高い屈折率を有する媒体を近接して構成し、媒体を光導波路に選択的にほぼ移動させることにより、光導波路の少なくとも周囲一部の屈折率を変化させて、偏光状態を変化させる光スイッチとしてもよい。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４の表示装置における表示素子をマトリクス状に配置した構成を示す斜視概念図である。図４において、図１における表示素子１を複数使用してｎ×ｍ個をマトリクス状に配置する。図１において、表示素子１は光源２、光導波路３、光スイッチ６などをそれぞれ有しているように構成した。しかし、図４においては、画面の列方向に各光導波路３３を共通にして画素の列数分ｎ列並べ、それぞれの光導波路の列端部に各光源３２を共通にして配置し、そして、光取り出し部となる各光スイッチ３６を行方向に共通にして画素の行数分ｍ行設けて、線順次に光スイッチ３６を選択的に動作させて、光導波路３３の少なくとも一部に物理的変化を励起する。行方向に共通にして画素の行数分ｍ行設けた光スイッチ３６として、電気光学効果材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）主体で形成した電気光学効果素子３８に配置した画素の各行の電極３９と共通の電極（図示省略）との間に選択的に電圧を印加することによって、光導波路３３の少なくとも一部に上記物理的変化を励起して屈折率を変化させる。これにより、全反射により光導波路を伝わってきた特定の偏光を有する伝播光７の偏光状態を光スイッチ３６の部分で変化させ、配置した少なくとも観察者側の反射型偏光板３５から伝播光７を通過させて光導波路３３内から取り出し、観察者（図示省略）方向へ出射させる。

ＬＣＤやＰＤＰといった従来のフラットパネルディスプレイではＲＧＢ３色の画素をストライプ状に分離していたが、本発明の場合は、光導波路３３の１本にＲＧＢ３色の光を入射させた方が、光導波路の数を削減できるのでより好ましい。例えば、光源３２として、ＲＧＢ３色のＬＥＤチップを１つのランプに収納し、各々の色を独立に制御できる３色ＬＥＤがよい。そして、表示画面の列方向に伸びた各々の光導波路３３に対応する３色ＬＥＤの各色チップへの印加電圧を、光スイッチ３６で選択した行と交差する画素の色、輝度情報に基づいて変調制御することにより、任意の画像を表示することができる。

光導波路３３は厚さ約２０μｍ、幅約３６０μｍの板状のニオブ酸リチウム系の電気光学効果光導波路材料から形成し、錫ドープ酸化インジウム透明電極で形成した各行の電極３９は幅約３６０μｍのストライプで行数分を各光導波路裏面に構成し、対向する電極（図示省略）は透明電極で光導波路表面上に形成し共通化している。

線順次走査で選択的に光スイッチ３６を駆動させ、電気光学効果素子３８に電圧を印加すると、電気光学効果素子３８における光導波路３３の中の伝播光７は、複屈折変化により光路長に渡って次第に偏光状態を変化させて偏波面を回転させる。偏光状態が変化した伝播光７は、反射型偏光板３５で全反射できず、選択された箇所の光導波路３３の中から観察者側の反射型偏光板３５を通して外部に効率よく漏れ出て取り出され、観察者は光を認識する。選択されず電圧を印加されなかった光スイッチ３６の光導波路３３における伝播光７は、反射型偏光板３５と反射板（図示省略）で繰り返し全反射しながら光導波路３３の中を伝播し、観察者は光を認識しない。

こうして、光スイッチ３６への印加電圧が大きいほど光導波路における偏光状態の変化が大きくなり、電圧をゼロから徐々に大きくするにつれて取り出し光の輝度増加が認められた。そして、印加電圧が２００Ｖ程度で飽和し、入射偏光の８０％以上を外部へ取り出すことができた。また、光源を全点灯させ、１行ずつ光スイッチに２００Ｖの電圧を線順次に高速で印加していくことで、面状に均一な明るい表示が確認できた。従来のエバネッセント波により光を取り出す構成では、クリーンルームでも多数存在するサブミクロンサイズの埃の影響などで、光導波路と光取り出し面の距離をゼロにすることはできないので、かなりの圧力で光導波路に光取り出し面を押し付けても、高い取り出し効率を得ることは容易でないが、本発明では、エバネッセント波を取り出すのではなく、反射型偏光板を使用し繰り返し全反射させて光路長を長くして、光スイッチ部の光導波路内の伝播光の偏光状態を十分変化させることにより、光導波路内から高い取り出し効率で光を得ることができる。また、電気光学効果素子のような高速の光スイッチを動作させることにより、高速の走査が可能であり、高精細のテレビジョンなどの画像表示にも対応できる。

また、図４において、光源３２からの光を薄い光導波路へ入射しやすくするため、プリズム３４により光学的に結合させている。また、光源と光導波路との光結合方式は、上記プリズム結合方式に限定せず、他の光結合方式を用いても構わない。

また、光源として、ＬＥＤ以外では、有機ＥＬパネルにマイクロレンズアレイを付ける事で指向性を上げてもよいし、半導体レーザを用いることも可能である。本実施の形態４における表示装置において、３色ＬＥＤを用いるのは、１本の光導波路に３色の光を入射させやすくするためである。液晶やＰＤＰなどの従来のディスプレイでは、画素はＲＧＢの３原色のサブピクセル３つから構成されていたが、本発明の光導波路を用いた表示装置では、列方向に伸びた光導波路は必ずしも色毎に分ける必要はなく、１本の光導波路に３原色を入射すれば光導波路の数を減らすことができ、コスト低減の効果がある。

図５は、本発明における本実施の形態４の表示装置におけるブロック図である。本発明の表示装置の光源３２を駆動する光源駆動回路４０と、行電極を介して光スイッチ３６を線順次走査で選択的に動作させる光スイッチ駆動回路４１と、これらの回路を同期させて信号を入力し、画像を表示させる制御回路４２からなっている。制御回路４２は、光スイッチ駆動回路４１で線順次走査で選択した行の画素のＲＧＢ各色の輝度情報を、光源駆動回路４０のドライバーＬＳＩに入力し、光源駆動回路４０は輝度情報に応じた印加電圧を光源３２に入力することで、画像情報に応じたフルカラーの画像表示が可能となる。

このように、従来のＸＹマトリクス型平面表示素子は、行電極と列電極間に光変調媒体を挟む為に、クロストーク現象が発生したりして大型化しにくかったが、本発明の表示装置では、行側、及び列側の駆動回路に電気的な繋がりがないので、クロストーク現象は本質的に発生せず、しかも構成が簡易なため、大型化が容易である。しかも、上述の電場配向ポリマーのような有機系の光スイッチで構成すれば、簡易な構造であるため、フィルムのような薄いフレキシブルな大画面ディスプレイも実現できる。また、光源としてＬＥＤのような発光効率の高いものを用いれば、高い光取り出し効率を、光スイッチを高速の光変調器で実現できるため、消費電力も低くすることが可能である。

以上のように、本発明の表示装置は、複数個の上記表示素子と、光源駆動回路と、光スイッチ駆動回路と、光源駆動回路と光スイッチ駆動回路とを制御する制御回路とを少なくとも具備し、画像情報に応じて、複数の高速動作する光スイッチを光スイッチ駆動回路により選択的に線順次走査駆動するとともに、それと同期して光源の輝度を光源駆動回路により強度変調して、表示するように構成することにより、画像情報に応じて表示素子を選択して動作させ、複数本の光導波路内の伝播光を高い効率で、かつ均一に取り出すことができ、明るく低消費電力で表示面の輝度が均一な表示装置とすることができる。

なお、本実施の形態４では、光導波路は列数分だけ並置し、多数のＬＥＤ光源を並べた単純マトリクス型を記載したが、光路長を長くすることにより低電力で高い取り出し効率を得ることが本発明の特徴であり、光源の種類や光スイッチに使用する光学素子の種類、あるいはこれらの配置などの構成は本実施の形態４に限らない。例えば、光導波路を１枚の平板にして光源を１つにし、光スイッチを画素数分だけＸＹのマトリクス配置にする構成でもよい。この場合、光スイッチを駆動するアクティブ素子を各光スイッチに付加して、画素毎に光スイッチを駆動し、電圧を印加する時間あるいは電圧の値を制御して階調表現すればよい。

また、本発明の表示装置において、表示素子における光スイッチとしてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）から形成した電気光学効果素子を使用して説明したが、他の電気光学効果材料や有機系非線形光学物質を含んだ電場配向ポリマーから形成した電気光学効果素子を使用しても構わない。また、電気光学効果素子の他に、音響光学効果素子や電界効果型液晶素子などを使用しても構わない。

本発明による表示素子は、光導波路の端部から小さい入射角で光を導入でき、反射型偏光板で繰り返し反射し光路長が長くなった伝播光を、光スイッチの動作で光導波路内から効率よく均一に光を取り出せる表示素子とすることができ、表示装置における表示素子や、信号光源などに利用ができる。また、本発明の表示装置により、光取り出し効率がよい複数個の上記表示素子を配置し選択的に駆動させることにより、表示装置として低消費電力化、高輝度化が可能になり、また表示装置の表示面全体の均一性が改善される。本発明の表示装置を使用することにより、１００インチを超えるような大画面でもモバイル向けの小型の画面でも、画面サイズによらず薄型の表示装置を実現でき、映像機器産業、携帯機器産業、宣伝機器産業やその他の産業分野に利用することができ、その産業上の利用可能性は非常に広く且つ大きい。

本発明の実施の形態１の表示素子の構成を示す断面概念図 本発明の実施の形態２の表示素子の構成を示す断面概念図 本発明の実施の形態３の表示素子の構成を示す断面概念図 本発明の実施の形態４の表示装置における表示素子をマトリクス状に配置した構成を示す斜視概念図 本発明における実施の形態４の表示装置におけるブロック図

符号の説明

１，１１，２１ 表示素子
２，３２ 光源
３，１３，２３，３３ 光導波路
４ 端部
５，３５ 反射型偏光板
６，１６，２６，３６ 光スイッチ
７ 伝播光
８，３８ 電気光学効果素子
９，１９，２９，３９ 電極
１０ 偏光板
１５ 反射板
１８ 音響光学効果素子
２８ 電界効果型液晶素子
３４ プリズム
４０ 光源駆動回路
４１ 光スイッチ駆動回路
４２ 制御回路

Claims (16)

1. 光源と、前記光源からの光をその端部から入射させ伝播させる光導波路とを有する表示素子であって、前記光導波路の少なくとも観察者側の表面に設けた反射型偏光板と、前記光導波路の少なくとも一部に設けた光スイッチとを有し、前記光スイッチを動作させ物理的変化を励起して偏光状態を変化させた伝播光を、前記光導波路内から観察者側の前記反射型偏光板を通して外部に取り出し表示するように構成した表示素子。
2. 前記反射型偏光板は、前記反射型偏光板面に対してほぼ垂直あるいはほぼ水平な成分からなる特定の偏光を有する前記伝播光をほぼ全反射するように、誘電体多層膜を形成してなるものであることを特徴とする、
   請求項１に記載の表示素子。
3. 前記光源からの光は、前記光導波路内に入射角０度＜θ≦４２度の範囲で入射され伝播することを特徴とする、
   請求項１または２に記載の表示素子。
4. 前記入射角は、２度≦θ≦２０度の範囲にあることを特徴とする、
   請求項３記載の表示素子。
5. 前記物理的変化が、前記光導波路の前記光スイッチにおける屈折率、反射率、媒質密度および形状から選択した少なくとも一つの物理的変化であることを特徴とする、
   請求項１から４のいずれかに記載の表示素子。
6. 前記光スイッチは、光導波路型光スイッチであることを特徴とする、
   請求項１から５のいずれかに記載の表示素子。
7. 前記光スイッチは、前記光導波路を形成した電気光学効果素子によって形成され、前記電気光学効果素子に電圧を印加することにより、前記光導波路の屈折率を変化させることを特徴とする、
   請求項１から６のいずれかに記載の表示素子。
8. 前記電気光学効果素子は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）およびＰＬＺＴより選択された少なくとも１群を含む無機系電気光学材料から形成され、少なくとも対向する電極を前記光導波路を挟んで設けていることを特徴とする、
   請求項７記載の表示素子。
9. 前記電気光学効果素子は、有機系非線形光学物質を含んだ電場配向ポリマーから形成され、少なくとも対向する電極を前記光導波路を挟んで設けていることを特徴とする、
   請求項７に記載の表示素子。
10. 前記光スイッチは、前記光導波路の少なくとも一部に音響光学効果素子を有し、前記音響光学効果素子を動作させることにより、前記光導波路の媒質密度を変化させることを特徴とする、
    請求項１から６のいずれかに記載の表示素子。
11. 前記光スイッチは、前記光導波路に接して電界効果型液晶素子を配置して構成され、前記液晶素子に電圧を印加して前記液晶素子の屈折率を変化させることにより、前記光導波路の少なくとも周囲一部の屈折率を変化させることを特徴とする、
    請求項１から６のいずれかに記載の表示素子。
12. 前記光スイッチは、傾斜した反射板を設けたアクチュエータを外部に具備し、前記アクチュエータを動作させ、前記反射板を前記光導波路に接触させることにより、前記光導波路の少なくとも周囲一部の反射角度を変化させ、偏光状態を変化させることを特徴とする、
    請求項１から６のいずれかに記載の表示素子。
13. 前記光スイッチは、アクチュエータを外部に具備し、前記アクチュエータを動作させ、前記光導波路の少なくとも表面近傍を変形させてその形状を変化させ、偏光状態を変化させることを特徴とする、
    請求項１から６のいずれかに記載の表示素子。
14. 前記光スイッチは、少なくとも空気より高い屈折率を有する媒体を近接して構成され、前記媒体を前記光導波路にほぼ移動させることにより、前記光導波路の少なくとも周囲一部の屈折率を変化させ、偏光状態を変化させることを特徴とする、
    請求項１から６のいずれかに記載の表示素子。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の複数個の表示素子と、光源駆動回路と、光スイッチ駆動回路と、前記光源駆動回路と光スイッチ駆動回路とを制御する制御回路とを少なくとも具備する表示装置。
16. 前記表示装置は、画像情報に応じて、複数個の前記光スイッチを前記光スイッチ駆動回路により選択的に線順次走査駆動するとともに、それと同期して複数個の前記光源の輝度を前記光源駆動回路により変調制御して、表示するように構成したことを特徴とする、
    請求項１５に記載の表示装置。

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