JP2010008965A

JP2010008965A - 表示装置

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Publication number: JP2010008965A
Application number: JP2008171601A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hioki; 毅日置; Yutaka Nakai; 豊中井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: US8390610B2; JP5193704B2; US20090322736A1

Abstract

【課題】構造を容易に形成できると共に、高効率な光取り出しを実現する表示装置を提供すること。
【解決手段】表示装置は、列方向に沿って配列された、光取り出し領域を有する複数の光導波路２と、複数の光導波路２に光を入射する複数の光源と、行方向において凸部と凹部が交互に位置する断面を有し、凸部及び凹部のそれぞれの内面が光導波路２に対向するように配置され、電界が印加されることにより凸部及び凹部が光導波路２の光取り出し領域に応力を与えるように変位を生じる複数の走査線１と、複数の走査線１に電界を順次印加する制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、１次元の光導波路構造の集積体からなる表示装置に関する。

現在広く用いられている表示装置については、ＣＲＴ（Cathode Ray Cube）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Display）、ＦＥＤ（Field Emission Display）などが挙げられる。ＣＲＴについては、電子線走査の必要性から奥行き方向にサイズが必要なため、現在は、ＦＰＤ（Flat Panel Display）と呼ばれるＬＣＤ、ＰＤＰ、ＯＬＥＤ、ＦＥＤなどが主流になりつつある。このＦＰＤについては、発光メカニズムや光バルブなど方式はそれぞれ異なるが、２次元に配置された画素毎において光変調を行っている。この光変調に関するアナログ情報を各画素に伝送するために、精度の高いマトリックス構造を駆使したものとなっている。したがって、これらＦＰＤを作製する際には、例えばガラス基板などの大面積基板を用いた例えばスパッタ法などの真空プロセスによる成膜やフォトエッチングプロセスに代表される精度の高い形状形成などの技術が適応されている。

一方、光変調をマトリックス配線の交点に位置する各画素で行わない方式の検討も進められている。すなわち、光変調などの処理については画素部以外の部分にて行い、これを所望の位置まで導光した後に出光させる方式である。本構成を用いることにより、光導波路へ全反射条件を満たすように光源より入射された光は、例えば光取出素子の変位などによりその出光位置を光導波路内の一部位置にて規定できるようになる。また、本方式によれば各画素部の役割は、所望の強度に調整された光の導波と光取出の選択に軽減できることになる。

例えば、特許文献１においては、各画素に光源や光バルブなど光変調素子を設けるのではなく、光源に付随する強度変調器を用いて光変調を行い、これを所望の画素位置まで導光した後、画素位置にて光取出を行う手法が提案されている。すなわち、光源にて強度調整された光を、光ファイバの全反射条件下における導光により所望の位置まで伝送した後、その位置でのコア材料の屈折率を変化させて光取出を行うものである。コア材料の屈折率を電界印加により部分的に変化させることにより、光ファイバ内での全反射条件を満たさない領域となる。このため、全反射条件を満たさない領域では、導波された光が光ファイバ側面から出射することになる。
特開平１−１８５６９２号公報

しかしながら、光ファイバのような１次元の光導波路構造の集積体からなる表示装置においては、表示のための走査駆動が必要である。上述したディスプレイデバイス構造では、走査は光導波路に対して電界を印加して屈折率を変化させることにより走査位置が決定される。走査駆動を厳密に行うには、製造において精密な構造形成が要求される。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、構造を容易に形成できると共に、高効率な光取り出しを実現する表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に係わる表示装置は、列方向に沿って配列された、光取り出し領域を有する複数の光導波路と、前記複数の光導波路に光を入射する複数の光源と、行方向において凸部と凹部が交互に位置する断面を有し、前記凸部及び凹部のそれぞれの内面が前記光導波路に対向するように配置され、電界が印加されることにより前記凸部及び凹部が前記光導波路の光取り出し領域に応力を与えるように変位を生じる複数の走査線と、前記複数の走査線に前記電界を順次印加する制御部とを具備するものである。

したがってこの発明によれば、製造プロセスを容易にできると共に、高効率な光取り出しを実現する表示装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る表示装置の表示面を概略的に示す斜視図である。図２に、図１に示す表示面のＹＺ平面の断面図を示す。

図１に示すように、この表示面は、複数の光導波路２は、Ｘ方向に沿って配列された、複数の光導波路２を備える。走査線１は、凸部と凹部が交互に位置する波形状の断面を有し、この凸部及び凹部のそれぞれの内面が上記光導波路２に対向するように配置される。走査線１の断面構造を模式的に示したものが図２であり、本図に示されるように走査線１は、光導波路２の形状に応じて凹部または凸部が形成されて波形状を有している。光導波路２は、例えば光ファイバのコア部で構成され、コア層の屈折率を変化させることでその領域から光導波路２に伝播する光を取り出し可能である。走査線１は、可撓性を有する圧電体などにより構成され、電界が印加されることにより上記凸部及び凹部が光導波路２の光取り出し領域に応力を与えるように変位を生じる。

図３は、図１のＸＹ面の平面構成例を模式的に示したものである。本実施形態では、光導波路２の集積構造に対して交互に走査線１が配置する構成としている。なお、本発明の配置関係はこれに制限されるものではなく、例えば、図４に示すように、波形状の走査線２に対して、その凸部のみに光導波路１を配置させるようにしてもよい。

また、光取出方向については、光導波路２に対して透過方向、反射方向のいずれの方向でも光取出素子の構成を変えることにより対応可能である。図５、図６、図７に光取出素子の構成を示す。例えば、図５に示すように導光に対してその光伝播方向を変化させて、プリズム面を作製することにより透過モードとして、所望の出光方向に光取り出しを行うことが可能である。また、図６に示すような屈折率の異なる多層膜においても同様に光取り出しが対応可能である。また、図７に示されるように光取出素子をプリズム面に対向する反射層を設けた構造とすることで、反射モードとして動作させることが可能である。

図１に示す表示部の構成を採用した場合、隣り合う光導波路２では異なる動作モードにて走査動作が可能になる。例えば、図１の構成では波状形成された走査線に対して凸部に配置された光導波路２では透過モードにて光取り出しを行い、これに隣接する凹部に配置された光導波路２では反射モードにて光取り出しを行うという別モードにて走査を行うことが可能となる。一方、図４に示される配置関係においては、各光導波路２においては、例えば、透過モードといった単一モードにて動作することになる。この場合、走査線選択時に凸部に生じる変位により各光導波路２に応力が加わるが、凹部においては、この変位を補償するように電界を印加し、走査線全体としては変化量を相殺する動作とすることが可能となる。したがって、本動作を行うことにより、凹部と凸部とで相異なる変位を与えることで、走査線１の１組の凹凸部において変位を相互に相殺させて、選択される走査線全体での負荷を低減させることが可能となる。

また、本実施形態の走査線の形状を採用することにより、光取出領域での接触部位の面積の増大を図ることができる。図８Ａは、作製が容易な円形状の断面の光導波路２に光を取出すための板状走査線１０が接触した場合の断面構成を模式的に示している。このとき、図８Ａに示すように接触部位は円断面において接点で接触するため、走査時の光取出可能な領域は狭く限定されてしまう。図８Ａの構造の場合、接触部に局所的に大きな応力を与えることは可能であるが、接触面積を広げるためには、光導波路２または光取出すための板状走査線１０が変形する程度の応力が必要になり、走査線に用いる圧電体材料やその形状について制限やより大きな負荷が生じることになる。

これに対して、本実施形態では、図８Ｂに示すように光導波路２の断面形状に合わせて、光を取出すための走査線１が接触していくため、広い接触面積において光導波路２に応力を与えることが可能である。これにより、図８Ａの場合と比較して走査時の光取出可能な領域を拡大することが可能となる。さらに、例えば光導波路２の表面が均一でなくある程度の凹凸などを有していたとしても、図８Ｂに示されるように、光導波路２は、各接触部分において波形状走査線１から垂直方向に圧力を受けることになるため、その凹凸に応じて波形状圧電体１が変位することにより凹凸による空隙形成を回避することが可能である。したがって、構造を容易に形成できると共に、高効率な光取り出しが可能な表示装置を実現することができる。

また、図８Ｂのように断面形状が円形の光導波路２を用いることで、走査時において、その光取り出し方向が光導波路２の断面形状に対して、その接線方向に取ることが可能である。このため、光取り出し時の出射方向が図８Ａと比較して広く取ることができる。つまり、全体の光取り出し量を増大するだけでなく、表示装置における視野角と呼ばれる表示の可視範囲を広げることも可能になるという利点を有している。

図９に、本実施形態に係る表示装置の全体構成例を示す。本表示装置は、光源４から表示すべき情報に応じた光が入射される光導波路２と、この光導波路２の一部から選択的に光を取り出すことを可能にする走査線１と、光取り出しを行う走査線１を順次選択するためのライン選択素子５と、走査線１の電界をコントロールするための電源とを有する。ライン選択素子５により選択された走査線１については、例えば走査線１に圧電性材料を用いた場合にはその電位を操作することにより走査線１が変位することによって光導波路２に応力を与え、その部分での光導波路２の全反射条件を崩すように構成される。この全反射条件を崩すためには、走査線１の光取り出しを行う部分を光導波路２よりも屈折率の高い材料で形成する、または、その部分に上記図５、図６、図７に示されるような光取出素子を走査線１に付加する、などの構造を採用することにより対応可能となる。

図１０、図１１は、図９において、走査線を光導波路に対して交互配置した場合の表示装置の光導波路集積構造と走査線群との位置関係を示す構造模式例である。図１０及び図１１に示すように、各走査線１は光導波路２に対してその凹凸部が交互に配置される。また、図１１に示すように、互いに隣り合う走査線１においては、凹凸形状が交互配置となっている。すなわち、各走査線１については、各光導波路２に対して凹部と凸部が互いに隣接配置する波形状となっている。図１２は、走査線のＹＺ平面における断面構成例を示したものである。本図から各走査線１は、光導波路２の上部を覆う部分と光導波路２の下部を覆う部分が、交互に位置する構成であることがわかる。

図１３は、走査線にある電位が印加され変位した状態を示す模式例である。本図においては、走査線１は、光導波路２の上部側に位置する部分については、光導波路２に対して収縮する方向に変位しており、光導波路２の下部側に位置する部分については光導波路２に対して伸長する方向に変位している。このとき、各光導波路２に対して、上部側に走査線が配置されている領域では、各光導波路２に対して走査線１による接触や応力を与えることが可能であるため、例えば、図５，６，７に示されるような光取出素子を光導波路２と走査線１の間に配置させることにより光導波路２から光取り出しが可能となる。

一方、図１４は、走査線に図１３とは異なる電位が印加され変位した状態を示す模式例である。本図においては、図１３とはその方向が異なり、各光導波路２に対して、走査線１が光導波路２の上部側に位置する部分については光導波路に対して伸長する方向に変位しており、走査線１が光導波路２に対して下部側に位置する部分については光導波路２に対して収縮する方向に変位している。したがって各光導波路２の下部側に走査線２が配置されている領域では、各光導波路２に対して走査線１による接触や応力を与えることが可能であるため、例えば、図５，６，７に示されるような光取出素子を光導波路２と走査線１の間に配置させることにより光導波路２からの光取り出しが可能を可能にすることができる。

図１３及び図１４に示したように、隣り合う光導波路間においては、走査線１の凹部と凸部とで変位方向が相反するため、収縮方向と伸長方向で変位を低減ないしは相殺することが可能となる。これにより、伸長方向の効果により収縮方向の効果を高めることができるとともに、選択された走査線１では伸長方向と収縮方向との変位量が低減されるため、走査線全体での変位が低減または相殺された、安定したデバイス動作が可能となる。

図１５および図１６は、本実施形態における走査線の変位を可能にするための走査線における電極配置例を示したものである。図１５は断面構成例、図１６は平面構成例を示す。本実施形態では、交互配置される光導波路２に対して互いに相反する変位を与える構造が必要である。これは、例えば光導波路２に対して走査線１が上部に位置する領域と、下部に位置する領域では正負が互いに異なる電界を与えることにより動作可能である。このため、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やこれを含む有機材料混合体により形成された圧電体フィルム１１の両面に、光導波路２の幅に相当する位置において交互に第１電極１２１と、この第１電極１２１と相反する変位を与える第２電極１２２とまた、第１電極１２１及び第２電極１２２に対向する位置にそれぞれ第３電極１２３及び第４電極１２４を配置することにより所望の変位が形成可能である。すなわち、第１電極１２１と第３電極１２３との間に印加する電位差と、第２電極１２２と第４電極１２４との間に印加する電位差を相反する変位を与えるように制御すればよい。

また、図１５及び図１６の走査線構造に限らず、圧電体フィルムを２層以上重ねて、変位方向をそれぞれ機能分離した構造を用いても良い。図１７および図１８は２層化した場合の走査線２の電極配置構成例を示したものである。図１７は断面構成例、図１８は平面構成例を示す。第１圧電体１１１及び第２圧電体１１２に挟持される中間電極１２５と、第１圧電体１１１の上部に位置する第１電極１２１と、第２圧電体１１２の下部に位置する第２電極１２２とから構成される。第１電極１２１は、光導波路２の幅に相当するピッチにて電極形成されており、その隣り合う電極は光導波路２が１つおきに納まる配置となっている。これに対して第２電極１２２は第１電極１２１が電極形成されていない領域で、光導波路２の幅に相当する電極が形成されている。本構造を用いることにより上部側の第１電極１２１と下部側の第１電極１２２で正負が相反する電位を印加することにより、光導波路２の幅相当で隣り合う変位が相反する走査線を形成することができる。

さらに、図１９に、他の走査線構造の断面の詳細構造を示す。図１９に示すように、走査線は、ＰＶＤＦなどの圧電体フィルムからなる第１圧電体１１１と第２圧電体１１２と、第１圧電体１１１及び第２圧電体１１２に挟持される中間電極層１２５と、第１圧電体１１１の上面に接して形成される第１電極１２１及び第２電極１２２と、第２圧電体１１２の下面に接して形成される第３電極１２３及び第４電極１２４とから構成される。この走査線は、凸部の内面でファイバ形状の光導波路２と対向し、凹部の内面で線状体６と対向するように配置される波形状の断面を有している。

線状体６は、例えば、光吸収可能な色素を含有したアクリル樹脂を用いて、光導波路２と同一サイズに形成されたものである。光吸収可能な色素を含有したアクリル樹脂は、光の導入を行なわずに、表示装置として画素間の境界を明確にするためのブラックマトリックスとしての機能を有することになる。また、線状体６を光導波路２と交互に配列することで、例えば表示面側といった同一方向への光取り出しが可能である。また、本実施形態では、光導波路２から効率良く光を取り出すことを可能とするために光導波路２と第２電極１２２との間に光取出機能層１３を配置している。この光取出機能層１３は、上述したように、例えばマイクロプリズムを用いた屈折効果や微粒子による散乱効果を用いて、光導波路２から光を取り出す動作選択時にはより効率的に光を取り出すことを可能とするものである。

図１９に示される構成においては、例えば、光導波路２に対応する位置に形成されている第１電極１２１と線状体６に対応する位置に形成されている第３電極１２３においては、異なる電位が印加可能である。また、第２電極１２２と第４電極１２４においても同様に異なる電位が印加可能である。したがって、第１圧電体１１１及び第２圧電体１１２の分極方向と、第１乃至第４電極１２１〜１２４及び中間電極１２５への電位の与え方により、例えば、光導波路２上の走査線部については、光導波路２に接触する方向に変位すると同時に、線状体６上の走査線部については、線状体６から開離する方向に変位させることが可能である。このとき、走査線上に位置する光導波路２から光取出機能層１３を介して光を取り出すことが可能となる。さらに、本走査線の動作方法を用いた場合には、光導波路２に対向する走査線部と線状体６に対向する走査線部が相異なる動作、すなわち、光導波路２に対向する走査線部は曲率半径が小さくなる方向へ変位し、線状体６に対向する走査線部は曲率半径が大きくなる方向へ変位するため、走査線全体としては変化量を低減または相殺する動作とすることが可能となる。

また、図１９の走査線構造について、光導波路２と走査線１との間、及び線状体６と走査線１との間にそれぞれスペーサを設けることで、デバイス構造を安定化させることができる。
図２０に、この場合の走査線の断面の詳細構造を示す。図２０に示すように、光導波路２と光取出機能層１３との間に第１スペーサ１４１を配置し、線状体６と第３電極１２４との間に第２スペーサ１４２を配置させた構成となっている。第１スペーサ１４１及び第２スペーサ１４２を介して両端を接着することにより、光導波路２と線状体６の配置関係を維持できるとともに、光導波路２及び線状体６と走査線にて形状を維持可能な表示面を形成することも可能である。このとき、第１スペーサ１４１及び第２スペーサ１４２は、光導波路２に接する面が光導波路２における全反射を妨げないような光導波路２よりも屈折率が低い材料や反射材料であることが望ましい。

図２１は、各光導波路２に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光をそれぞれ独立に入射する場合の画素の構成を示したものである。
図２１において、上側に断面構成例、下側に平面構成例を示す。表示装置の画素に相当するサイズについては、用いる光導波路２と線状体６の太さと圧電体などから構成される走査線１の幅により規定できる。ここでは、図２１に示すように、３本の光導波路２と３本の線状体６の計６本と、走査線１の幅から囲まれた領域が１画素の基本構成となり、図２１において示すＬが画素サイズに相当することになる。

したがって、表示装置としての仕様にあわせて、走査線１の幅や、光導波路２及び線状体６の太さを選択することにより任意の精細度をもつ表示装置が構成可能である。例えば、画格が対角１００インチで１９２０×１０８０の画素数をもつ表示装置を作製する場合、１画素のサイズは約１．１５ｍｍ×１．１５ｍｍ程度となる。このとき、例えば、光導波路２と線状体６として断面が直径０．１５ｍｍの円状のものを用いて光導波路２と線状体６との間を約０．０４２ｍｍピッチで配置し、幅が１．０ｍｍの走査線１を走査線間を０．１５ｍｍピッチで配置することにより、図２１におけるＬはそれぞれ１．１５ｍｍとすることができる。

このように、本実施形態によれば、希望する画面サイズとその画素数に応じて、光導波路や線状体、及び走査線のサイズを選択することにより任意に対応できることになる。また、逆に光導波路や線状体、走査線のサイズが予め決められたサイズのものを組み合わせて、自由な画面サイズや画素数が実現可能である。

また、図２２に示すように、光導波路２に予め光源にてＲ、Ｇ、Ｂ成分などを混色した光を入射するように構成してもよい
図２２は、このような構成における画素相当の断面構成例と平面構成例を示したものである。この場合、１つの光導波路２に光源から例えばＲ，Ｇ，Ｂ成分などを混ぜて入射可能であるため、従来の表示装置のように空間分割または時間分割による色分割を行う必要がない。このようにすると、例えば前述した画格が対角１００インチで１９２０×１０８０の画素数をもつ表示装置を作製する場合、例えば、走査線幅は同様であるが、光導波路２と線状体６として断面が直径０．５０ｍｍとし、光導波路２と線状体６と間との間を０．０７５ｍｍピッチで配置させることにより実現可能となる。ここでは精細度を対角１００インチ相当で１９２０×１０８０の画素数としたが、本表示装置の精細度は、用いる光導波路２や線状体６の直径や走査線１の幅を変更することにより容易に変更可能である。なお、上記実施形態では、光導波路２と線状体６を同一形状としたが、同一形状でなくとも形成は可能である。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、本実施形態においては、断面が円形状の光導波路２や線状体６を用いているが断面形状はこれに限られたものではない。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の一実施形態に係る表示装置の表示面を概略的に示す斜視図。図１に示す表示面のＹＺ平面の断面図。図１に示す表示面のＸＹ平面の構成を示す図。図１に示す表示面の画素部の拡大図。プリズムを用いた光取出素子の一例を示す図。屈折率の異なる多層膜を用いた光取出素子の模式例を示す図。反射モードで光取り出し可能な光取出素子の模式例を示す図。板状走査線を用いた表示装置における光取出領域を模式的に示す図。図１に示す表示装置における光取出領域を模式的に示す図。図１に示す表示装置の全体構成例を示す図。走査線配置の他の構成例を示す図。図１０に示す構成におけるＸＹ平面の構成を示す図。走査線の断面構成例を示す図。図１２に示す走査線が変位した状態の一例を示す図。図１２に示す走査線が変位した状態の他の例を示す図。走査線における電極配置の断面構成例を示す図。図１５に示す電極配置の平面構成例を示す図。走査線における電極配置の断面構成の他の例を示す図。図１７に示す電極配置の平面構成例を示す図。走査線の断面の詳細構造例を示す図。走査線の断面の他の詳細構造例を示す図。各光導波路にＲＧＢの光をそれぞれ独立に入射する場合の画素の構成を示す図。光導波路にＲＧＢを混色した光を入射する場合の画素の構成を示す図。

符号の説明

１…走査線、２…光導波路、３…走査領域、４…光源、５…ライン選択素子、１１…圧電層、１２１…第１電極、１２２…第２電極、１２３…第３電極、１２４…第４電極、１１１…第１圧電層、１１２…第１圧電層、１２５…中間電極、１３…光取出機能層、６…線状体、１４１…第１スペーサ、１４３…第２スペーサ。

Claims

列方向に沿って配列された、光取り出し領域を有する複数の光導波路と、
前記複数の光導波路に光を入射する複数の光源と、
行方向において凸部と凹部が交互に位置する断面を有し、前記凸部及び凹部のそれぞれの内面が前記光導波路に対向するように配置され、電界が印加されることにより前記凸部及び凹部が前記光導波路の光取り出し領域に応力を与えるように変位を生じる複数の走査線と、
前記複数の走査線に前記電界を順次印加する制御部と
を具備することを特徴とする表示装置。
前記走査線は、可撓性を有する少なくとも１つの圧電体層と、前記圧電体層を厚み方向の両側から挟むように配置された複数の電極層とを含み、前記制御部は前記複数の電極層間に前記電界を印加することを特徴とする請求項１記載の表示装置。
前記走査線は、前記凸部と前記凹部とで相異なる変位を生じ、前記凸部での変位と前記凹部での変位が低減可能であることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
前記複数の光導波路の相互間に配置された光吸収性の線状体をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の表示装置。
前記光導波路と前記走査線との間に配置されたスペーサをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の表示装置。