JP4125260B2 - 表示素子および表示装置 - Google Patents

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Description

光源からの光束を各画素毎に変調することで画像を表示する表示素子、および表示装置に関する。
従来より、光源からの光束を各画素毎に変調し、画像を表示する平面表示素子として、液晶ディスプレイが知られている。一般的な液晶ディスプレイは、図14に示すようにバックライト101、第1偏光板102、液晶103、第2偏光板104から構成される。
バックライト101から射出された光束は、第1偏光板102を通過して直線偏光となり、画素構造を有する液晶103で画素ごとに印加電圧を制御して直線偏光の向きを変え(あるいは、楕円偏光にし)、第2偏光板104で透過軸に沿った偏光成分を選択的に透過させることにより、画素ごとの明るさを制御する。例えば、第1偏光板102と第2偏光板104の透過軸を一致させて配置し、液晶103は電圧を印加しない状態では入射直線偏光を偏光軸が90度回転されて射出するように、電圧を印加した場合は偏光軸をほぼ保持するように設定しておく。OFF表示時には液晶に電圧を印加せず、第1の偏光板102を通過した直線偏光は液晶103で偏光軸が90度回転するため、第2の偏光板104を通過することができない。またON表示時には液晶に電圧を印加し、第1の偏光板102を通過した直線偏光は偏光軸がほぼそのまま保持されるため、第2の偏光板104を通過することができる。これにより画素毎に表示のON/OFFを制御し、画像を表示する。
一方、近年、周期的な誘電体構造を有することにより、光の伝播をコントロールすることのできるフォトニック結晶についての開示が特開2001−272555、特開2002−365599等になされている。
特開2001−272555 特開2002−365599
液晶ディスプレイは2枚の偏光板を用いるため、光源から射出した光の利用効率が30%程度と非常に低いという問題を有する。さらに小型で高解像度のディスプレイを構成するためには、各画素を個別に駆動するための回路により、各画素の透過部が非常に小さくなり開口率が低下し、前述の偏光板による影響も含めると、利用効率は数%程度しか得ることができない。この駆動回路による影響を低減する手段として、反射型の液晶を用いる方法がある。反射面を有する基板側に回路を設けることにより、開口率による利用効率低下を抑えることができるが、図14に示すような透過型液晶を用いた場合に比較し、照明光を表示側から入射させる必要があるため、装置が大型化するという問題が生じる。
一方、上記フォトニック結晶によれば、極めて小さな損失のもとに光の伝播をコントロ−ルすることが可能である。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、従来の液晶ディスプレイ等と比較して、小型高解像度で、光源からの射出光の利用効率が非常に高く、またコントラストの高い表示素子を構成できる光機能素子、およびそれを用いた表示装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明にかかる表示素子は、所定の波長域にフォトニックバンドギャップを有する2次元フォトニック結晶もしくは3次元フォトニック結晶と光源と制御手段とを有する表示素子であって、前記フォトニック結晶は線欠陥からなる導波路と,該導波路に近接して配置された点欠陥からなる複数の共振器とを有し、前記光源は前記導波路に前記所定の波長域の光を導光し、前記共振器は前記制御手段からの制御信号によりそれぞれ共振波長が可変であって、前記制御手段は前記共振波長を前記光源から導光する光の波長と一致させることで前記導波路内の光を前記フォトニック結晶外へ放出する第1の状態と、前記共振波長を前記光源から導光する光の波長と異ならせることで前記導波路内の光を前記フォトニック結晶外へ放出されないようにする第2の状態とに制御し、前記複数の共振器が画素を形成することを特徴とする。
小型高解像度で、光源からの射出光の利用効率が非常に高く、またコントラストの高い表示素子および表示装置を実現することができる。
本発明にかかる表示素子、及びそれを用いた表示装置の基本的な概念を図1〜6を用いて説明する。
入射光の波長以下の構造を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射特性などを制御可能で、電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さくすることによって、光の透過・反射特性を制御することができる。このような構造物はフォトニック結晶として知られている。また、この構造を2次元、又は3次元的な微細周期構造にすることによって、ある波長域において光損失が無損失のほぼ100%の反射率を有する反射ミラーを実現できることが示唆されている。このある波長域で反射率をほぼ100%にすることができる概念は、従来の半導体が持つエネルギーギャップとの比較から、所謂フォトニックバンドギャップ(以下、PBG)と言われている。このPBGは、対応するある波長領域において当該構造内の光の伝播を禁止する。
図1(a)は2次元な微細周期構造を持つフォトニック結晶であって、本発明にかかる表示素子を構成する光機能素子の基本構造Sを示す図である。図1(a)において、可視域波長に対して透明な第1の材料(屈折率n1)によるスラブ構造(平板)11中に、同様に可視域波長に対して透明で、かつ第1の材料よりも屈折率が低い第2の材料(屈折率n2)による円柱12を三角格子状に配列している。ここで、材料の屈折率n1、n2、円柱12の直径、配列間隔などを最適化することにより、所望の波長域にPBGを形成することができる。構造Sのスラブ面内(xy面内)に電場の振動方向を有する直線偏光のy方向の分光透過率Aを図1(b)に示す。図中、透過率が低い波長領域がPBGを示す。上述のようにPBGに対応する波長領域の光は基本構造Sの内部を伝播できない結果、基本構造Sの表面で完全に反射されて、基本構造Sの内部に侵入することができない。図1(b)はy方向の分光透過率を示しているが、xy面内においてはいずれの方向に伝播する光に対しても同様なPBGが形成されている。
なお、PBGに対応する波長領域を広くするためには各材料の屈折率の比(n1/n2)は2以上が望ましい。第1の材料としては例えばTiO2、Ta2O5などを、第2の材料としては例えば空気などを用いることができる。
図2は、図1(a)に示したスラブ内に形成された基本構造S内に周期を乱す線状欠陥を設けた場合について示す図である。図2(a)に示すように、フォトニック結晶である基本構造S中に設けられた線状欠陥中には導波モードが存在し、低損失の導波路13を形成できる。このような導波路13を形成すると、PBG内の周波数を持ち本来はフォトニック結晶の内部を伝播できない光が導波路13を介して伝播可能となる。この結果、スラブ面内(xy面内)に電場の振動方向を有する直線偏光の導波路13部分での分光透過率Bは、例えば図2(b)に示すようになる。
線状欠陥は、円柱12を線状に抜いたり、線状に異なる直径の円柱を配置したりするなど、部分的に周期構造の周期性を変化させることにより形成される。このとき円柱12の直径や導波路13の幅、導波路に隣接する円柱の直径や形状を変化させることにより、導波波長域Bの中心波長や波長幅を所望の値に設定することができる。
なお、上記で説明したように、スラブは比較的高い屈折率n1を有する材料から構成されているため、スラブ表面と略平行に伝播する光はスラブ表面で全反射することにより、z方向には漏れない。
図示しない光源から構造Sのスラブ面内(xy面内)に電場の振動方向を有する直線偏光の光束を導波路13に導くと、導かれる光束の波長により伝播状態が変化する。波長領域αの光は、PBG内でかつ導波波長域内であるため、導波路13内を低損失で伝播する。波長領域βの光は、PBG内でかつ導波波長域外であるため、導波路13を含む構造S内に存在することができないため、基本構造Sの表面で反射される。波長領域γの光は、PBG外であるため、導波路13内に限らず基本構造S内全体を伝播する。
図3は、基本構造S内に周期を乱す点状欠陥による共振器14を形成した例について示す図である。フォトニック結晶においては、内部に有する周期構造による光の回折、多重散乱に起因してPBGを生じるため、当該周期構造の周期数が少ない場合には、PBGの存在に関わらず一定割合の光が透過することとなる。このため、図3(a)に示すように、導波路13の近傍に点状周期欠陥を設けて共振器14を形成することにより、導波路13の導波波長域内に設定された共振器14の共振波長に一致する波長の光を、導波路13中を伝播する光から一定の割合だけ共振器14内に取り出すことができる。当該取り出された光は共振器14内部で共振している間にスラブ表面を透過し、z方向に射出させることができる。
導波路13中から共振器14に取り出す光の割合が高い場合には、導波路13と共振器14間の周期構造の周期数は1から3周期程度であることが好ましい。一方、周期数が10周期以上の場合には、当該周期内でほぼ完全に光が反射されて導波路13中からの光の取り出しが困難になり好ましくない。但し、周期構造を構成する材料の屈折率やPhC構造、欠陥構造による導波路、共振器の固有モード形状、面内および上下方向のQ値により、周期構造の周期数と反射率の関係が変化するため、導波路13と共振器14間の周期構造の周期数は用いられる周期構造により、適宜決定される。
このとき、共振器14が完全にz方向に対称形である場合、光はzの正負両方向(紙面上下両方向)に射出されてしまう。そこで、円柱の直径をz軸方向に変化させたり、少なくとも共振器14付近を屈折率の異なる2種類の材料でz方向に挟むなどして、共振器14にz方向非対称性を導入することにより、所望の方向、例えばzの正方向にのみ、光を射出させることができる。
共振器を構成する点状周期欠陥は、一つあるいは複数個の円柱12の直径を変化させたり、位置をずらす、取り除く、あるいは屈折率がn1、n2とは異なる第3の材料により円柱を設けることなどにより形成される。これら点状欠陥形状や屈折率を変化させることにより共振器14の共振波長を、また導波路13と共振器14の間隔を変化させることにより取り出し効率を所望の値にすることができる。
ここで、共振器14を電界の印加により、少なくても所定の方向に関する屈折率を変化することができる電気光学効果を有する非線形材料15を用いて形成し、電界の印加により非線形材料15の少なくともxy面内の屈折率を変化させて共振波長を変化させることにより、光の取り出しをON/OFFするようなスイッチングをすることができる。図3(b)は非線形材料15の屈折率を変化した場合の共振器14の共振波長の変化を示す図である。共振器14の共振波長は、非線形材料15の屈折率が大きくなるのに伴い、図3(b)に示すように、D1、D2、D3と長波長側に変化する。共振器14の共振波長が導波路13内を伝播する光の波長と異なる場合には、導波路13内の光は共振器14に入りこむことができないこととなる。以上により、波長Cの光を導波路13内に導光した場合に、電界の制御により非線形材料15の屈折率を制御して、共振器14の共振波長をD1(OFF)とD3(ON)の間で切り替えることにより、共振器14を介してのz方向への光の取り出しをON/OFFすることができる。非線形材料15としては、電気光学効果を有するLiNbO3、BaTiO3、ZnOや液晶などを用いることができる。
図4は図3(a)のE−E’面での断面図である。スラブ構造11の上面には、透明電極16、下面にはTFT構造17が形成されており、信号線18によりTFT制御信号が与えられ、非線形材料15に電界が印加される。また、透明電極16を構成する材料の屈折率と非線形材料15の屈折率の差を、TFT構造17を構成する材料の屈折率と非線形材料15の屈折率の差より、小さく設定することにより共振器14の上下方向の非対称性を導入し、zの正の方向にのみ光を取り出す構成としている。
図5は本発明に係る表示素子の基本的な構成を上面から見た場合を示し、図6はその表示素子の断面図を示す図である。図5に示すとおり、表示素子は共振器14を導波路13の方向と平行に複数個配置して構成される。各共振器14には、図6に示すようにTFT構造17が独立して形成され、各共振器毎にON/OFF制御が可能となっており、それぞれが表示素子の画素を形成する。
結合光学系20により導波路13にレーザ光源を含む光源手段19から射出された光を導光し、図示しない制御回路は表示したい画素に相当する共振器14のTFTをONにして電界を印加して、図3に示した原理により共振器14を介して導波路13から光を順次取り出すことで、各共振器14を一つの画素として画像表示を行うことができる。
また、図5に示すように一つの導波路13に近接して複数の共振器14を設けた場合には、より光源に近い共振器から光を取り出した際に、より光源から遠い共振器から取り出される光の強度が低下する問題を生じる。この場合には、一つの導波路13に近接して配置された複数の共振器14間で、観察者の眼の残像許容時間内に順次光の取り出しを行うことにより、走査画像を一つの画像として違和感無く観察させることができる。また各画素の表示(共振器のON/OFF)に同期して、レーザ光源19の出力を変化させることにより、階調表示も可能となる。
図5において、可視域の光に対してPBGを形成するためには円柱12の配列間隔は数百nmとなる。このため、共振器14の配列間隔を数μm以上として、共振器間のフォトニック結晶が表示に用いられる光を略完全に反射可能となるように複数個の円柱12(例えば10周期)を配置することにより、隣接する共振器間での影響を無くしている。
光源手段19のレーザ光源は、射出光の偏光方向がスラブ面内(xy面内)に電場の振動方向を有する向きに配置され、また結合光学系20は導波路入射端でのモードプロファイルが導波路13の固有モードと一致するように設定され、効率良く射出光が導波路13に導光されるようにしている。
以上のように構成することにより、小型高解像度で、光源からの射出光の利用効率が非常に高く、またコントラストの高い表示素子を実現することができる。
図1〜5においては、円柱12の配列を三角格子形状としたが、その他の格子配列、例えば正方格子、蜂の巣状格子でも良い。またスラブ構造11中に形成する第2の材料による周期構造は円柱ではなく、三角柱、四角柱、六角柱、球、回転楕円体などでも良い。また円柱12の屈折率n2はスラブ構造11の屈折率n1より大きくても良い。ただし各材料の屈折率の比(n2/n1)は2以上が望ましく、PBGの波長幅を広くすることができるため、3以上がより望ましい。
また、図5において、スラブ構造11内に、フォトニック結晶により共振器を構成したフォトニック結晶レーザを配置して光源とすることにより、より小型化が可能となり、また結合光学系による結合損失も低減でき、より光利用効率を向上させることができる。
図7は本発明に係る表示素子の基本的な構成の別の例を示す図である。図7に示す表示素子は、図5に示す導波路13および共振器14のアレイをx方向に複数並べることにより構成される。ここで、第1のアレイを構成する導波路13と共振器14は、隣接する第2のアレイを構成する導波路13’と共振器14’から十分離れた位置に配置され、相互の影響がないように設定されている。このように画素(共振器)をxy方向に多数(例えば、y方向に800個、x方向に600個)配列することにより、2次元表示素子が形成される。また、例えばRGBの各色に対応した波長の光を異なる導波路13にそれぞれ導入し、各導波路13の近傍に設けた共振器14の共振波長を当該波長に一致させることによっても、複数色表示素子が実現できる。
図8は本発明に係る表示素子の基本的な構成の別の例を示す図である。図7に示すように、光源手段19のレーザ光源は各導波路13毎にそれぞれ配置しても良いし、図8に示すように全ての導波路を接続して、一つのレーザ光源のみで全て画素に光を供給するようにしても良い。なお、図8においては、簡単のため、導波路、光源以外は省略してある。
図9は本発明に係る表示素子に対して画素部以外の部分に遮光部材を設けた例を示す図である。製造誤差などによる円柱の配列の乱れや表面荒れなどにより、図5に示したような表示素子構造においてスラブ構造11表面での全反射条件を満たさなくなり、共振器14以外の場所から散乱光や漏れ光を生じる可能性が考えられる。このような光は画像を表示した場合に、画質を低下させる原因となる。このような光を遮断するために、図9に示すように表示面側(表示光の射出側)の共振器上面以外に遮光部21を設けることにより、より高い表示品質を得ることができる。
以上述べたように、共振器14をxy面内に配列し、図示しない制御回路により観察者の眼の残像許容時間内に各画素に対応する共振器14を順次ON/OFFすることにより、小型高解像で高効率、高画質の2次元表示素子および当該表示素子を含む表示装置が実現できる。
図10は本発明に係る表示素子の基本的な構成の別の例を示す図である。図10に示す表示素子では、図7に示したものに比べて共振器14が導波路13の両側に配列され、実質的に画素数の密度を高めている。図7に示した部材と同じ部材には同様の符号を付してある。このように構成することにより、構造の簡略化、レーザ光源の個数削減が可能となる。なお、図10では共振器14’と共振器14”は互いに影響が無いように十分離れた位置に配置されることが好ましい。例えば周期構造の10周期以上離れた位置に配置されることが好ましい。
図11は、本発明に係る表示素子の基本的な構成の別の例を示す図であって、特に複数色を表示可能な表示素子を示す図である。導波路13の近傍に共振器14を配置する点で基本的な構造は図5に示した表示素子と同じであるが、複数波長の光を射出可能な光源22を用いていることと、異なる共振波長を有している共振器23、24を有している点が異なる。導波路13の導波波長域内の波長λ1、λ2の複数のレーザ光源を含む光源手段22からの光を結合光学系20により導波路13に導光し、共振波長がそれぞれλ1、λ2の共振器23、24により、導波路からそれぞれの波長の光を取り出すことにより、それぞれの波長に対応した色の表示ができる。
ここでは、光源手段22が二つの波長の光を発する場合について説明したが、これに限定されることなく、三つ以上の波長の光を発する光源と、それぞれの波長に対応する共振器を組み合わせて用いてもよい。さらに、図11においては、複数の波長の光を発する光源を用いた場合を示したが、それぞれ異なる波長の光を発する複数の光源を導波路13に接続して用いることも可能である。さらに、光源としてベースとなるフォトニック結晶のPBG内で一定の広がりを持つ光を発する光源を用いて、共振器として所望の波長に対応する共振器を組み合わせて用いてもよい。
図12は、複数の共振波長を有する共振器の特性について示す図である。図12に示すような特性を持つ共振器を用いることにより、1つの共振器(画素)により複数色の表示をすることもできる。
前述したように、共振器を構成する非線形媒質の屈折率を電界を印加して制御することにより、共振器の共振周波数を変化させることができる。図12において、Aは基本構造の分光透過率、Bは線状欠陥導波路の導波波長域、C1、C2は導波路内を伝播する光源波長、D1、D2、D3は印加電圧をそれぞれV1、V2、V3と変化させた時の共振器の共振波長を表している。図示しない制御回路は、波長C1に相当する色を表示したい場合は電圧V2を、波長C2に相当する色を表示したい場合は電圧V3を、それぞれ非線形媒質に印加する。これにより、一つの共振器により、複数色の表示が可能となる。
以上の構成により、複数色、例えば赤、緑、青の3色によるカラー表示が可能な小型高解像で高効率、高画質の2次元表示素子および当該表示素子を含む表示装置が実現できる。
図13(a)は画像観察システムの実施例を示す。画像観察システム30は、本発明による表示素子を用いた表示装置31、接眼光学系32を有し、接眼光学系32により表示装置31の表示面の拡大虚像を観察眼33に導くことにより、観察者は表示装置31に表示された画像を観察することが出来る。
図13(b)は画像投影システムの実施例を示す。画像投影システム40は、本発明による表示素子を用いた表示装置41、投影光学系42を有し、投影光学系42は表示装置41の表示面の拡大実像をスクリーン43に形成する。以上のように、本発明による表示装置を用いることにより小型高解像で高画質、かつ高効率のため低消費電力な画像表示システム、画像投影システム、携帯情報端末などを実現することが出来る。
なお、前述のように図5の実施例においては、結合光学系20により外部からスラブ構造11内の導波路13に導光していたが、スラブ構造11内に、フォトニック結晶により共振器を構成したフォトニック結晶レーザを配置することにより、より小型化が可能となり、また結合光学系による結合損失も低減でき、より光利用効率を向上させることができる。
本発明にかかる表示素子の基本構造(a)、及び基本構造内の所定の光束に対する分光透過率(b)を示す図 表示素子の基本構造内に線状周期欠陥を設けた場合を示す図 表示素子の基本構造内に形成した点状周期欠陥による共振器(a)、及び共振器内の非線形材料の屈折率を変化した場合の共振波長の変化(b)を示す図 基本構造内に形成した共振器の屈折率を変化させるための構成を示す図 本発明に係る表示素子の基本的な構成を示す上面図 本発明に係る表示素子の基本的な構成を示す断面図 本発明に係る表示素子の基本的な構成の別の例を示す図 本発明に係る表示素子の基本的な構成の別の例を示す図 本発明に係る表示素子に対して画素部以外の部分に遮光部材を設けた例を示す図 本発明に係る表示素子の基本的な構成の別の例を示す図 本発明に係る表示素子の基本的な構成の別の例を示す図 複数の共振波長を有する共振器の特性を示す図 本発明に係る表示素子を用いた画像観察システム(a)、及び画像投影システム(b)の実施例を示す図 従来の一般的な液晶ディスプレイの構成を示す図
符号の説明
S 基本構造
A 分光透過率
B 線状欠陥導波路の導波波長特性
11 スラブ構造
12 円柱
13、13’、13” 導波路
14、14’、14”、23、24 共振器
15 非線形材料
16 透明電極
17 TFT構造
19、22 光源手段
20 結合光学系
30 画像観察システム
31、41 表示装置
32 接眼光学系
40 画像投影システム
42 投影光学系
43 スクリーン

Claims (12)

  1. 所定の波長域にフォトニックバンドギャップを有する2次元フォトニック結晶もしくは3次元フォトニック結晶と光源と制御手段とを有する表示素子であって、
    前記フォトニック結晶は線欠陥からなる導波路と,該導波路に近接して配置された点欠陥からなる複数の共振器とを有し、
    前記光源は前記導波路に前記所定の波長域の光を導光し、
    前記共振器は前記制御手段からの制御信号によりそれぞれ共振波長が可変であって、
    前記制御手段は前記共振波長を前記光源から導光する光の波長と一致させることで前記導波路内の光を前記フォトニック結晶外へ放出する第1の状態と、
    前記共振波長を前記光源から導光する光の波長と異ならせることで前記導波路内の光を前記フォトニック結晶外へ放出されないようにする第2の状態とに制御し、
    前記複数の共振器が画素を形成することを特徴とする表示素子。
  2. 前記共振器は外部から電界または電流が印加されることにより屈折率が変化する非線形媒質を含み、前記制御手段は該非線形媒質の屈折率を変化させることにより前記共振器の共振波長を制御することを特徴とする請求項1に記載の表示素子。
  3. 前記光源は単一波長の光を前記導波路に導光し、前記制御手段は前記共振器の共振波長を前記導波路に導光された光の波長に一致させ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. 前記光源は複数の波長を含む光を前記導波路に導光し、前記制御手段は、前記複数の共振器の各共振波長を、前記複数の波長のうちいずれか1つの波長と一致させ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。
  5. 前記複数の共振器は,前記導波路の両側に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4に記載の表示素子。
  6. 前記導波路は,互いに平行に複数設けられており,前記光源は該複数の導波路に対応して複数設けられていることを特徴とする請求項1乃至5に記載の表示素子。
  7. 前記制御手段は前記複数の共振器に対して光の放出状態を決定する制御信号を所定周期内に順次与えることを特徴とする請求項1乃至6表示素子。
  8. 前記制御手段は前記複数の共振器に対する制御信号と同期して、前記光源に対して前記導波路に導光する光の強度を決定する制御信号を与えることを特徴とする請求項7に記載の表示素子。
  9. 前記光源は,フォトニック結晶により共振器を構成したフォトニック結晶レーザであることを特徴とする請求項1乃至8に記載の表示素子。
  10. 前記表示素子の表示面側であって、前記共振器上部以外に遮光手段が設けられていることを特徴とする請求項1乃至9に記載の表示素子。
  11. 請求項1乃至10に記載の表示素子に表示された画像を接眼光学系を介して観察することを特徴とする画像観察システム。
  12. 請求項1乃至11に記載の表示素子に表示された画像を投影光学系で投影することを特徴とする画像投影システム。
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