JP4169238B2

JP4169238B2 - Two-dimensional enlargement / reduction optical device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4169238B2
Application number: JP2000198028A
Authority: JP
Inventors: 恵朗二村; 伊久衞川島
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: JP2002014240A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示または画像取り込みを行う装置における拡大または縮小光学系として用いるデバイス及び製造方法に関し、特に光量が一定でデバイスの薄型化及び軽量化を図り、その他、極めて顕著な利点を有する二次元拡大縮小光学デバイスおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、情報を表示する表示装置は、大別してフラットパネルディスプレイと呼ばれるパソコン用液晶モニターなどの等倍型表示装置と、背面投影型液晶テレビなどの拡大投影型表示装置の２種類に分けられる。等倍型表示装置はディスプレイの厚みを薄くすることができ、設置に必要なスペースが少なくて済むという利点を有するが、大きな画面、例えば３０インチ以上のサイズの画面を得ようとする場合、製造工程の複雑さ、歩留まりの悪さなどからコストが高くなると言う欠点を持っている。一方、拡大投影型表示装置は５０インチ以上の大きな表示サイズを等倍型表示装置に比べ安価で提供できるという利点を有するが、ディスプレイの厚みを等倍型と同じように薄くすることは原理上難しく、設置に必要なスペースが広くなってしまうと言う欠点を持っている。
【０００３】
既存の液晶テレビなどの拡大投影型表示装置では、レンズやミラーを使った拡大光学系の技術が使われている。それ以外では、図１に示すように、小さな画像に対して光ファイバー１１を整列させて並べ、その光ファイバー１１を離散的に配置させることにより画像を拡大する方法（特開平05-88617号公報参照、以下方法Ａ）、図２に示すように、ファイバー集合体を斜めに切断したブロック１ａ，１ｂを複数個使用することにより画像を拡大する方法（特開平06-51142号公報参照、以下方法Ｂ）、図３に示すように、複数の液晶表示パネル２ａ，２ｂ，２ｎの表示を拡大するために、光ファイバー３を用いて画像を表示パネル４に伝送させる方法（特開平09-252444号公報参照、以下方法Ｃ）、図４に示すように、テーパー状の光導光路３を用いて画素の表示サイズを拡大する方法（特開平07-43702号公報参照、以下方法Ｄ）などが提案されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記方法Ａ（特開平05-088617号公報）の構成においては、表示全体の面積は拡大されるが、集合していた画素が離散的に配置されたことにとどまっており、本来の目的である表示画素自体が拡大して投影される構成にはなっていないという欠点を持っている。
次に、前記方法Ｂ（特開平06-51142号公報）の構成においては、複数のファイバー集合体１ａ，１ｂを組み合わせて用いているが、一つのファイバー集合体１ａと他のファイバー集合体１ｂを結合させる際に、光を最初のファイバー集合体から次のファイバー集合体へ効率よく伝送させる方法が難しいこと、また２つのファイバー集合体１ａ，１ｂを接着させるための位置合わせはファイバー径が細い場合には非常に難しいなどの光カップリングおよび製造上の問題点がある。
【０００５】
次に、前記方法Ｃ（特開平09-252444号公報）の構成においては、薄型でつなぎ目の無い大画面表示装置を小さな画面２ａ〜２ｎの表示装置を組み合わせることによって実現できると言うメリットを持っているが、基本的には特開平05-088617号公報（方法Ａ）と同じように表示画素自体が拡大して投影される構成にはなっておらず、画像を拡大したことにはならないと言う欠点を持っている。
次に、前記方法Ｄ（特開平07-43702号公報）の構成においては、一画素ごとの表示サイズは拡大されるが、画素位置と表示位置の法線方向の位置が一致しているため画像全体のサイズは大きくなっておらず、画像を拡大したことにはならないと言う欠点を持っている。
上記の従来技術の他に、金属の貫通孔を用いて画像を拡大する技術（例えば、特開平5-80319号公報参照）、金属の反射板を用いて画像を拡大する技術（例えば、特開平7-294757号公報参照）などが提案されている。しかし、金属面での反射による光伝達を用いる方式は、光ファーバーや導光路を用いる光伝達方式と異なり、金属面での反射による光の損失が大きく、実用には適さない。
【０００６】
また、ファクシミリ、イメージスキャナ、デジタル複写機等の画像読み取り需要の増加とともに、画像情報を電気信号に変化するイメージセンサの小型化が要望され、小型の画像縮小ディバイスが求められている。例えば、幅が広い原稿から読み取った一次元画像を小さな一次元CCDデバイスに伝達する方法として、テーパー状の光導波路を原稿面に並べ、CCDとの結合面では細い光導波路で結合させる方法（特開平9-37038号公報参照）が提案されている。この方式は、一次元画像の拡大／縮小方式としては適しているが、このデバイスでは２次元画像の拡大縮小を行うことはできない。
一方、レンズを用いずに画像を拡大または縮小する製品としては、米国テーパービジョン社から「TaperMag」と言う商品名で販売されているものがある。この原理は、多数の光ファイバーを高密度に束ね、溶融させてテーパー状に加工したものである。この商品は画像を拡大または縮小する光学的な基本原理は、本発明と同じであるが、ガラスファイバーを束ねて加工しているため、100mm角以上の大型の表示面積を得ることが難しい。また、加工上の問題からテーパ状に加工する場合のテーパー角を大きくすることが難しく、例えば30インチ程度の表示画面を得ようとする場合、デバイスの厚みを30cm以下にすることができない、という問題点がある。
【０００７】
また、光導波路の製法は、これまで様々な方法が報告されている。しかし、単一のファイバや一次元のファイバアレイの作製法であり、本発明で要求される二次元のアレイで、かつ三次元の複雑な形状をしたファイバアレイの作製法に関する報告は皆無である。例えば、特開平11-326660号公報には、光硬化樹脂に光導入口から特定の光を入射し、光軸に従って導光路を形成する製法が公開されている。この製法は単純に一本の導光路を作製したにすぎず、複数のファイバアレイによる二次元の光学ディバイスの作製に関しては全く言及されていない。また、例えば特開平5-157923号公報にはガラス中にイオンを電界により導入し、立体光導波路を作製しているが、本発明で求められているディバイスのような複雑な構造体を作製するには現実的でない。
【０００８】
（目的）
本発明の目的は、上述のような従来技術の問題点を解消するため、画像全体および画素サイズ自体の拡大または縮小を従来のプロジェクション方式を用いることなく、薄型で実現する二次元拡大縮小光学デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の二次元拡大縮小光学デバイスは、板状の材料中に高い屈折率を持つ領域が複数形成され、かつこの高屈折率領域は板の下面から上面に連続して存在し、かつ各々の高屈折率領域の板下面での断面積よりも板上面での断面積の方が大きいことを特徴としている。
また、上記高屈折率領域の板下面（縮小面）および高屈折率領域の板上面（拡大面）の近傍では、各高屈折率領域の縮小面から拡大面に連続する中心線が縮小面及び拡大面に対してほぼ垂直となっていることも特徴としている。
また、上記ファイバ径は、ファイバの中心線が拡大面の垂直より４５度以上傾いている部分で、ほぼ一定であることも特徴としている。
さらに、その他の特徴は以下に説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理及び実施例を、図面により詳細に説明する。
（基本構成）
図５は、本発明の基本構成を示す板上面、板下面、断面の図である。
本発明は、板状の有機材料中に高い屈折率を持つ領域（以後、高屈折率領域と呼ぶ）３１が複数形成され、かつこの高屈折率領域３１は板の下面から上面に連続して存在し、かつ板の厚み方向に垂直な面において、各々の高屈折率領域３１の板下面（以後、縮小面）での断面積よりも板上面（以後、拡大面）での断面積の方が大きいことを特徴としている。例えば、図５（ａ）に示すように、上面では、高屈折率領域（薄色で表示）３１が複数個の方形に分割されており、図５（ｂ）に示すように、下面では、周辺が低屈折率領域（濃色で表示）３２で囲まれた小さい方形に分割されている。また、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＡーＡで切断した断面を示しており、高屈折率領域３３は上面の大きい断面から下面の小さな断面に連続的に形成され、その間隙は低屈折率領域３４で埋められていることが明らかである。
また、画像を拡大または縮小伝達すると言う特性を得るために、上記複数の高屈折率領域３３の板下面における上記断面の相対的な位置関係が板上面においても維持されていることが、図５（ｃ）から明らかである。
さらに、画像をひずみ無く拡大または縮小すると言う特性を得るために、前記高屈折率領域３３の板下面での断面積と板上面での断面積の比が、複数の高屈折率領域３３において、ほぼ同じ値であることも図５（ｃ）から明らかとなっている。
【００１１】
（原理）
図６は、本発明の原理を示す図である。
本発明においては、図６に示すように、拡大光学デバイスの下面に拡大する前のディスプレイ画像３６を設置する。具体的には、小型の液晶ディスプレイ、小型のエレクトロルミネッセンスディスプレイ、小型のCRTなどである。これらのディスプレイの画像３６からの出射光が高屈折領域３３に入射する。入射した光の内、高屈折率領域３３と低屈折率領域３４の界面で全反射条件を満たす光は、本発明のデバイスの高屈折率領域３３を上面に向かって伝搬する。上面での高屈折領域３３のデバイス厚み方向に垂直な面における断面積は、下面での高屈折領域３３のデバイス厚み方向に垂直な面における断面積よりも大きいため、下面から入射した画素が拡大されて上面に表示されることになる。逆に、拡大面上に画像３５を設置し、縮小面側から観察する場合には、画像が縮小されて表示される。
本発明は、画像を拡大及び縮小する際の光路長を、従来技術に比べて薄くできるという特徴を持っている。先に述べたように、「TaperMag」の名で販売されている商品はガラスファイバーを束ねて加工しているため、加工上の問題からテーパ状に加工する場合のテーパー角を大きくすることが難しい。従って、拡大するための板の厚みを、拡大面の対角長より短くすることはできない。
【００１２】
図７は、本発明の原理を説明するための板の法線方向に対する光の伝達方向の関係を示す断面図である。
本発明においては、図７に示すように、ある一つの高屈折率領域３８を考えた場合、ファイバ中心線と板の法線方向のなす角度を大きくとれるため、画像を拡大する際の板の厚みを小さくすることが可能となる。ここで、図５（ｃ）に示すように、ファイバの縮小面と平行な面の断面が、下面から上面まで相似形である構成であると（つまり、図５（ｃ）のように比例して断面が変化すると）、拡大／縮小倍率が大きくなった場合には、ファイバ中心線と板の法線方向３９のなす角度が極めて大きくなり、導波路の光の伝達方向から見た断面がかなり小さくなってしまうと言う不具合が出る。そこで、さらに改良した構成として、ファイバは拡大面近傍でのみテーパー状であり、かつ縮小面近傍及びファイバ中心線と板の放線方向のなす角度が４５度以上をとるときにはファイバ径がほぼ一定である構成とすると、板の厚みが最小限に抑えられる。さらに、ファイバ中心線と板の放線方向のなす角度が４５度以上をとる領域に於いて、ファイバ径を縮小面の断面よりさらに細くすることにより、板の厚みをさらに抑えることが可能となる。
ただし、波長分散を抑えるため、径は１ミクロン以上とすることが望ましい。
しかし、画素から出射する光にはある程度の指向性があるため、元画像の入射する板下面近傍においては、光の入射する方向と板の法線方向３９のなす角の大きさが各々の高屈折率領域３８でほぼ同じであることが望ましい。
【００１３】
図８は、本発明の原理を説明するための板の法線方向に対する光の入射方向を示す断面図、図９は板の法線方向に対する光の出射方向を示す断面図である。
元画像の入射する板下面近傍においては、図８に示すように、光の入射する方向４２と板の法線方向４１のなす角の大きさは、高屈折率領域４０において小さいことがよく、つまり両方向４１，４２のベクトルの向きが同じであることが望ましい。
上記のことは画像の出射面においても同じで、画像の視野角依存性を均一にするためには、板上面近傍においては、図９に示すように光の出射する方向４３と板の法線方向４５のなす角の大きさが各々の高屈折率領域４４において小さいことが望ましい。
【００１４】
図１０は、本発明の他の原理を示すもので、板下面にマイクロレンズアレイを設けた場合の断面図、図１１は図１０において板上面の形状を凹形にした場合の出射方向を示す断面図、図１２は図１０において板上面の形状を凸形にした場合の出射方向を示す断面図である。
尚、板上面から出射する光量が少ない場合には、図１０に示すように板下面４８にマイクロレンズアレイ５０を設けることによって、板下面４８での高屈折率領域４６への光の取り込み効率を高めることができる。さらに、各ファイバに光吸収層または金属薄膜を蒸着することにより、迷光を防ぎコントラストの良い画像が得られる。
また、図１１に示すように、高屈折率領域５２の板上面位置５１において凹状の形状を設けることや、図１２に示すように、高屈折率領域５５の板上面位置５４において凸状の形状を設けることによって、拡大された画像の視野角を広げることができる。
【００１５】
本発明のディバイスの作成方法は、光硬化樹脂混合液へファイバーバンドルから指向性の高い光を入射することにより、複数のテーパーファイバを同時に形成し、それらを束ねることにより達成される。さらに、凹凸上の基板に対し、光を出射することにより、自動的に凹凸の表面形状を作製できる。
本発明で使用される光硬化樹脂はアクリル系、メタクリル系等があげられるが、これらに限定されない。個々のファイバの配列が乱れないようにファイバを束ねる方法とし、伸縮性または収縮性の編み目シートを広げた状態で、それを介しファイバーバンドルの光を入射して、ファイバ形成後にシートを収縮させて束ねることにより、画像の歪みの出ないディバイスが得られる。伸縮性または収縮性の編み目シートは、ゴム、高分子ゲル（例えば、ポリ（メタ）アクリル酸の架橋物及びその金属塩、ポリビニルスルホン酸の架橋物、ポリアルキル置換（メタ）アクリルアミドの架橋物、アミノ置換（メタ）アクリルアミドの架橋物、トリアリールメタン誘導体及びスピロベンゾピラン誘導体等の親水性高分子化合物の架橋物等があげられるが、これらに限定されない。）、熱収縮性シート（例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、塩化ビニリデン系樹脂、エチレン−ビニルアルコール共重合体系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体系樹脂、変性ポリオレフィン系樹脂等の各樹脂の層を、種々の態様で積層した熱収縮性多層フィルムとして形成した物が効果的であるが、これらに限定されない）などがあげられるが、これらに限定されない。
【００１６】
（第１の実施例）
図１３〜図１５は、本発明の第１の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造方法の過程図である。
（ステップ１）
図１３（ａ）（ｂ）に示すように、マルチモードファイバ６０（コア/クラッド＝７０/９０μｍ）を２５０μm間隔で７×７本配置し、一端をフェノキシエチルアクリレートの光硬化性樹脂混合液６２に浸けた、他の一端より超高圧水銀ランプの光を導入したところ、光重合反応によって硬化され光の経路に従い１００μｍ径のファイバ６１が７×７本同時に形成された。ファイバ６１が形成されたのち、アセトンで未硬化部分の樹脂６２を取り除き、ファイバ６１の径が１４０μｍとなるようにクラッド層を上記光硬化性樹脂６２より屈折率の低いフッ素化エポキシを熱硬化により形成した。
（ステップ２）
ステップ１のファイバ６１の一方の先端５mmをファイバ中心線が拡大面と垂直となるように配置し、クラッド層と同じ樹脂液に浸け熱硬化により初めに設定した２５０μm間隔で固定化した。さらに、もう一端を間隔を開けずにファイバ中心線が縮小面と垂直となるように、かつディバイス全体の厚みが最小となるようにファイバ６３を曲げながら、かつ配列が崩れないように束ね、同様にして熱硬化により全体を図１４（ａ）（ｂ）に示すように固定化した。
【００１７】
（ステップ３）
ステップ２により得られたファイババンドル６４の最密充填側の一端より超高圧水銀ランプの光を導入し、２５０μｍ間隔で配列された一端をフェノキシエチルアクリレートの光硬化性樹脂混合液に浸けたところ、光重合反応によって硬化反応が進み、反応初期２mmにおいてテーパー状のファイバ６４Ａが自己形成され、最終的にファイバ径が２００μｍとなった。テーパファイバ６４Ａを形成した後、アセトンで未硬化部の樹脂を取り除き、クラッド層を上記光硬化性樹脂より屈折率のフッ素化エポキシを熱硬化により形成した。
以上の方法により、図１５に示すような厚み１０mm、倍率２倍で、かつディバイスを構成する各ファイバの長さが後述の式（１）に従う薄型拡大縮小ディバイスが得られた。図１５に示す６４のサンプルをサンプル１とする。
【００１８】
（第２の実施例）
図１０および図１５により、第２の実施例を説明する。
図１５に示すサンプル１の画像に密接する面に、図１０に示すようにコア間隔にあった２５０μｍ間隔で配列されたマイクロレンズアレイ５０を配置した。このサンプルをサンプル２とする。
（第３の実施例）
図１５により、第３の実施例を説明する。第１の実施例（図１５）において、各クラッド層を形成した後、拡大面および縮小面をマスクし、ディバイス６４の全体を黒色塗料に浸した。塗料が乾燥後マスクを剥がすことによりファイバ側面のみに光吸収層が塗布されたディバイスを得た。
このサンプルをサンプル３とする。
（第４の実施例）
図１３〜図１５により、第４の実施例を説明する。
第１の実施例のステップ１、３おいて、各クラッド層を形成後、拡大面および縮小面をマスクし、ディバイス６４全体を金蒸着装置に入れ、5００Å金を蒸着した。このサンプルをサンプル４とする。
【００１９】
（第５の実施例）
図１６および図１７は、第５の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
第１の実施例のステップ３において、図１６に示すように各ファイバの光出射方向位置に合わせ、出射面から２mm離して透明凹型基板６５を配置し、光を照射しテーパファイバを形成した。透明凹型基板６５を外すと出射端が凸形状の図１７に示すようなテーパファイバ６６Ａが得られた。このサンプルをサンプル５とする。
（第６の実施例）
図１８および図１９は、本発明の第６の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造過程図である。
本実施例では、第１の実施例のステップ２（図１３，図１４）のファイバ６１を束ねる段階において、次のように伸縮性のゴムシートを用いてファイバを束ねた。７×７個の１５μｍ径の微細孔が２５μｍ間隔で空いた伸縮性のゴムシートに、図１８（ａ）に示すように上下左右に張力６７をかけ、図１８（ｂ）に示すようにファイババンドル６０からの光が通るように、孔の径１５０μｍで間隔が２５０μｍとなるように面積を広げた。次に、図１９に示すように、この面積を広げたゴムシート６８を通しファイババンドル６０からの光を光硬化樹脂に照射し、第１の実施例のステップ１と同様な方法によりファイバを形成した。続いて、第１の実施例のステップ２において、ファイバを束ねる際、該ゴムシートの張力を徐々に緩めることにより、ファイバの配列を乱すことなくファイバを容易に束ねることができた。他の部分は第１の実施例に従って作製し、第１の実施例と同程度の厚み１０mm、倍率２倍の薄型拡大縮小ディバイスが得られた。このサンプルをサンプル６とする。
【００２０】
（第７の実施例）
図１３〜図１５の第１の実施例を基に、第７の実施例を説明する。
第１の実施例において、縮小面および拡大面近傍のファイバー中心線を縮小面または拡大面に対して最大４５度以上の角度で固定したディバイスを作製した。
このサンプルをサンプル７とする。
（第８の実施例）
以下に、第８の実施例を説明する。
第１の実施例において、ファイバの長さｌｎが以下の式に従うディバイスを作製した。このサンプルをサンプル８とする。
【数２】

（第９の実施例）
図１３〜図１５の第１の実施例を基に、第９の実施例を説明する。
第１の実施例に於いて、ファイバの長さｌｎが以下の式に従うディバイスを作製した。このサンプルをサンプル９とする。
【数３】

【００２１】
（第１０の実施例）
図２０は、本発明の第１０の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
本実施例では、第１の実施例のステップ２のファイバを束ねる段階において、次のように高分子ゲル６９を用いてファイバを束ねた。
まず、主モノマーとしてアクリル酸、架橋剤としてメチレンビスアクリルアミドを用い重合を行ない高分子ゲルシート６９を作製した。続いて、ｐＨが約７．０に設定された溶液７０に該高分子ゲルシート６９を入れ、高分子ゲル６９が飽和膨潤状態となった状態で、ファイバを高分子ゲル６９を貫通させ、図２０のような状態とした。この溶液７０をｐＨを約３．０に変化させることにより高分子ゲル６９を収縮させ、ファイバを配列を崩すことなく自動的に束ねた。他の部分は第１の実施例に従い作製し、第１の実施例と同様な厚み10mm、倍率２倍の薄型拡大縮小ディバイスが得た。
このサンプルをサンプル１０とする。
【００２２】
（第１１の実施例）
図１６および図１７により、第１１の実施例を説明する。
第５の実施例（図１６，図１７）に於いて、透明凹型基板６５の代わりに、凸型の透明基板を用いて同様なディバイスを作製した。このサンプルをサンプル１１とする。
【００２３】
（作成サンプルの評価結果）
以上No.1〜No.１１のサンプルについて▲１▼画像の明るさ、▲２▼画像の明るさの均一性、▲３▼コントラスト、▲４▼視野角の大きさ、▲５▼作製時間、の以上５項目について評価を行った。表の中の○、△、×は下記の基準で評価した。
作製時間はサンプル１の作製時間を基準に‘％’表示した。元画像は透明フィスム上に作成したITEテストチャートをカラービュアーで投射した画像を用いた。
明るさ
○：拡大前の画像の明るさ(cd/cm2)÷拡大後の画像の明るさ(cd/cm2)×拡大倍率（面積比）が2.0未満
△：拡大前の画像の明るさ(cd/cm2)÷拡大後の画像の明るさ(cd/cm2)×拡大倍率（面積比）が2.0以上3.0未満
×：拡大前の画像の明るさ(cd/cm2)÷拡大後の画像の明るさ(cd/cm2)×拡大倍率（面積比）が3.0以上
明るさの均一性
○：画像の明るさ(cd/cm2)の均一性が±１０%未満
△：画像の明るさ(cd/cm2)の均一性が±１０%以上±３０％未満
×：画像の明るさ(cd/cm2)の均一性が±３０%以上
コントラスト
○：２０以上
△：５以上２０未満
×：５未満
視野角大きさ
○：視野角が90°以上
△：視野角が30°以上90°未満
×：視野角が30°未満
【００２４】
図２１は、各サンプル毎の評価結果を示す図である。
サンプル２は、元画像からの光でサンプル１では低屈折領域で損失してしまった光が、マイクロレンズにより高屈折領域に導かれるため明るさが明るくなり、これに伴いコントラストも上がった。
サンプル３、４では、各ファイバ側面に光吸収層または金属薄膜を蒸着したので、隣接するファイバからの迷光がなくなり、コントラストが良くなった。
サンプル５、１１では、光出射面の高屈折率領域の形状を凸または凹状にする事により、画像光の発散角を大きくすることが出来、サンプル１に比べ視野角の改善が見られた。
【００２５】
サンプル６では、多数のファイバの配列を乱すことなく容易に束ねることができるため、ディバイス作製時間を半分にすることができた。
サンプル７では、縮小面および拡大面近傍のファイバー中心線を縮小面または拡大面にたいし最大４５度以上の角度で固定したため、高屈折率領域の断面中心を結んだ線と板の法線方向のなす角が大きくなることによって、板下面から入射する光の入射効率が悪くなり、また板上面から光が出射する際の光出射方向の中心軸が板の法線方向から大きく傾くため、明るさ、明るさの均一性などが悪くなる結果となった。
サンプル８では、ファイバ長さが長い物が出来るため、ディバイス表面が凹凸となり、また、光路が必要以上に長くなり明るさが暗くなってしまった。
サンプル９では、ファイバの長さが短すぎ、ディバイス表面が凹凸となり、視野角、明るさの均一性が悪くなった。サンプル１のファイバの長さは式（１）に従っており、ディバイス表面は滑らかであり、上記評価項目もサンプル８、９と比較し良好な結果となった。したがって、ファイバ長は式（１）に従う事が望ましい。
サンプル１０は、自動的に複数のファイバを配列を変える事なく容易に束ねる事が出来き、さらに、シートを拡大するために力を掛ける必要がないためディバイス作製の手間が省けた。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マイクロレンズで集光することにより、クラッドに照射され、損失する光を低減することができ（請求項１）、ファイバー間の光の漏れを防ぎ、迷光防止することができ（請求項２）、形状を凹凸状にすることにより、画像からの光の取り込み効率を向上させ、板上面で画像を明るくすることができ、また、視野角を拡大することができ（請求項３）、自動的に複数のファイバを配列を変えることなく容易に束ねることができ（請求項４）、さらに自動的に複数のファイバを配列を変えることなく容易に束ねることができ、かつシートを拡大するために力を掛ける必要がないこと（請求項５）、の効果を奏する。
【００２７】
さらに、本発明によれば、数１に従うことにより、デバイス表面性がよく、デバイス厚みが最小となり、光の均一性が保たれるファイバが得られる（請求項６）、という効果を奏する。
それ以外にも、本発明によれば、無機ガラスと比較して軽量化が図れること、光量が一定でデバイスを薄型化し、作製が単純となること、ファイバの形状が単純となり、さらにデバイスの厚みを薄くできること、およびデバイスを薄型化できること、等の効果が得られる。
【００２８】
さらに、本発明によれば、凹凸の作製が簡便となること、作製が簡便、さらにテーパーも自動的にできること、構造が単純でデバイスの厚みが薄く、製造も容易となり、また、初めからファイバ間隔が拡大面と同じ間隔となっているため、ファイバが容易に束ねられること、光が凹凸面に達すると、出射面が自動的に凹凸形状となり、凹凸面の作製が極めて容易となること、およびファイバ間の光の漏れを防ぎ、迷光を防止すること、等の効果を得る。
【００２９】
さらに、本発明によれば、自動的に複数のファイバを配列を変えることなく容易に束ねる事ができること、自動的に複数のファイバを配列を変えることなく容易に束ねることができ、かつシートを拡大するために力を掛ける必要がないこと、等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術（特開平５−８８６１７号公報）（方法Ａ）の全体斜視図である。
【図２】従来技術（特開平６−５１１４２号公報）（方法Ｂ）の概略図である。
【図３】従来技術（特開平９−２５２４４４号公報）（方法Ｃ）の概略図である。
【図４】従来技術（特開平７−４３７０２号公報）（方法Ｄ）の概略図である。
【図５】本発明の基本構成を示す上面、下面および断面図である。
【図６】本発明の二次元拡大縮小光学デバイスの原理を示す図である。
【図７】本発明の二次元拡大縮小光学デバイスにおける法線方向と伝達方向の原理を示す図である。
【図８】同じく二次元拡大縮小光学デバイスの法線方向と光の入射方向の原理を示す図である。
【図９】同じく二次元拡大縮小光学デバイスの法線方向と光の出射方向の原理を示す図である。
【図１０】本発明の二次元拡大縮小光学デバイスにおけるマイクロレンズアレイの配置方法を示す図である。
【図１１】本発明の二次元拡大縮小光学デバイスの板上面位置を凹型にした図である。
【図１２】同じく二次元拡大縮小光学デバイスの板上面位置を凸型にした図である。
【図１３】本発明の第１の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
【図１４】同じく第１の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
【図１５】同じく第１の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
【図１６】本発明の第５の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
【図１７】同じく第５の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
【図１８】本発明の第６の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
【図１９】同じく第６の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
【図２０】本発明の第１０の実施例を示す二次元拡大縮小光学デバイスの製造工程図である。
【図２１】作成したサンプルの評価結果の一覧図である。
【符号の説明】
３１，３３，３８，４０，４４，４６，５２，５５…高屈折率領域、
３２，３４，４７，５３，５６…低屈折率領域、
３５…拡大されたディスプレイ画像、３６…拡大前のディスプレイ画像、
３７…光の伝達方向、３９，４１，４５…板の法線方向、
４２…光の入射方法、４３…光の出射方向、４８…板下面位置、
４９…拡大前のディスプレイ画像、５０…マイクロレンズアレイ、
５１，５４…板上面位置、６０…マルチモードファイババンドル、
６１…形成されたファイバ、６２…光硬化樹脂、６３…ファイバ、
６４，６６…ファイババンドル、６４Ａ…テーパ状ファイバ、
６５…透明凹面基板、６６Ａ…凸形状テーパーファイバ、６７…張力、
６８…伸縮性シート、６９…高分子ゲル、７０…ｐＨ７の溶液。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a device and a manufacturing method used as an enlargement or reduction optical system in an apparatus for displaying or capturing an image, and in particular, a two-dimensional device having a constant light amount and reducing the thickness and weight of the device, and other extremely significant advantages. The present invention relates to an enlargement / reduction optical device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, display devices that display information are roughly classified into two types: an equal magnification type display device such as a liquid crystal monitor for a personal computer called a flat panel display, and an enlarged projection type display device such as a rear projection type liquid crystal television. The same-size display device has the advantage that the thickness of the display can be reduced and less space is required for installation, but it is manufactured when a large screen, for example, a screen having a size of 30 inches or more is to be obtained. Due to the complexity of the process and the poor yield, it has the disadvantage of increasing costs. On the other hand, the enlarged projection type display device has an advantage that a large display size of 50 inches or more can be provided at a lower cost than the same size display device. However, in principle, it is possible to make the display thickness as thin as the same size type display device. It is difficult and has the disadvantage of increasing the space required for installation.
[0003]
Enlarging projection display devices such as existing liquid crystal televisions use a magnifying optical technology using lenses and mirrors. Otherwise, as shown in FIG. 1, a method of enlarging an image by arranging optical fibers 11 aligned with a small image and disposing the optical fibers 11 discretely (see Japanese Patent Laid-Open No. 05-88617, Method A) and a method of enlarging an image by using a plurality of blocks 1a and 1b obtained by obliquely cutting a fiber assembly as shown in FIG. 2 (see Japanese Patent Laid-Open No. 06-51142, hereinafter Method B) 3, a method of transmitting an image to the display panel 4 using the optical fiber 3 in order to enlarge the display of the plurality of liquid

crystal display panels

2a, 2b, 2n (see Japanese Patent Laid-Open No. 09-252444, As shown in FIG. 4 below, a method C), a method of enlarging the display size of a pixel using a tapered light guide 3 (refer to Japanese Patent Laid-Open No. 07-43702, hereinafter method D), and the like have been proposed.
[Problems to be solved by the invention]
[0004]
In the configuration of the method A (Japanese Patent Laid-Open No. 05-088617), the area of the entire display is enlarged, but the aggregated pixels are only discretely arranged, which is the original purpose. There is a drawback that the display pixel itself is not configured to be enlarged and projected.
Next, in the configuration of the method B (Japanese Patent Laid-Open No. 06-51142), a plurality of fiber assemblies 1a and 1b are used in combination, but one fiber assembly 1a and another fiber assembly 1b are used. When coupling, it is difficult to efficiently transmit light from the first fiber assembly to the next fiber assembly, and the alignment for bonding the two fiber assemblies 1a and 1b is when the fiber diameter is thin Have problems with optical coupling and manufacturing, which are very difficult.
[0005]
Next, in the configuration of the method C (Japanese Patent Laid-Open No. 09-252444), there is an advantage that a large screen display device that is thin and seamless can be realized by combining display devices with small screens 2a to 2n. However, basically the display pixel itself is not enlarged and projected in the same manner as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 05-088617 (Method A), and the image is not enlarged. Have drawbacks.
Next, in the configuration of the method D (Japanese Patent Laid-Open No. 07-43702), the display size for each pixel is enlarged, but the pixel position and the position in the normal direction of the display position match, so that the image The overall size has not increased, and has the disadvantage of not enlarging the image.
In addition to the above-described conventional techniques, a technique for enlarging an image using a metal through-hole (for example, see JP-A-5-80319) and a technique for enlarging an image using a metal reflector (for example, 7-294757)) has been proposed. However, a method using light transmission by reflection on a metal surface is not suitable for practical use because a light loss due to reflection on a metal surface is large, unlike a light transmission method using an optical fiber or a light guide.
[0006]
In addition, with the increasing demand for reading images of facsimiles, image scanners, digital copiers, etc., there is a demand for downsizing image sensors that change image information into electrical signals, and there is a demand for small image reduction devices. For example, as a method of transmitting a one-dimensional image read from a wide original document to a small one-dimensional CCD device, a tapered optical waveguide is arranged on the original surface, and a thin optical waveguide is connected to the CCD coupling surface (special feature). (See Kaihei 9-37038). This method is suitable as a method for enlarging / reducing a one-dimensional image, but this device cannot enlarge or reduce a two-dimensional image.
On the other hand, as a product for enlarging or reducing an image without using a lens, there is a product sold under the trade name “TaperMag” by Taper Vision, Inc. of the United States. This principle is one in which a large number of optical fibers are bundled at a high density, melted and processed into a taper shape. This product has the same optical basic principle as that of the present invention for enlarging or reducing an image, but it is difficult to obtain a large display area of 100 mm square or more because glass fibers are bundled and processed. Also, it is difficult to increase the taper angle when processing into a tapered shape due to processing problems, for example, when trying to obtain a display screen of about 30 inches, the thickness of the device can not be 30 cm or less There is a problem.
[0007]
Various methods for producing optical waveguides have been reported so far. However, there is no report on a method of manufacturing a single fiber or a one-dimensional fiber array, and a method of manufacturing a two-dimensional array required by the present invention and a three-dimensional complex shape fiber array. . For example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-326660 discloses a manufacturing method in which specific light is incident on a light curable resin from a light entrance and a light guide is formed according to the optical axis. This manufacturing method merely produces a single light guide, and no mention is made regarding the production of a two-dimensional optical device using a plurality of fiber arrays. Also, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-157923, ions are introduced into glass by an electric field to produce a three-dimensional optical waveguide, but a complicated structure such as a device required in the present invention is produced. Is not realistic.
[0008]
(the purpose)
An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art, and to reduce or enlarge the entire image and the pixel size itself without using a conventional projection method, a two-dimensional enlargement / reduction optical device. And providing a manufacturing method thereof.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the two-dimensional enlargement / reduction optical device of the present invention, a plurality of regions having a high refractive index are formed in a plate-like material, and the high refractive index region is continuous from the lower surface to the upper surface of the plate. And the cross-sectional area at the upper surface of the plate is larger than the cross-sectional area at the lower surface of each high refractive index region.
Further, in the vicinity of the lower surface (reduced surface) of the high refractive index region and the upper surface (enlarged surface) of the high refractive index region, a center line continuous from the reduced surface to the enlarged surface of each high refractive index region is a reduced surface and It is also characterized by being almost perpendicular to the enlarged surface.
In addition, the fiber diameter is characterized by being substantially constant at a portion where the center line of the fiber is inclined at 45 degrees or more from the perpendicular to the expansion plane.
Further features are described below.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The principles and embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(Basic configuration)
FIG. 5 is a top view, a bottom surface, and a cross-sectional view showing the basic configuration of the present invention.
In the present invention, a plurality of regions (hereinafter referred to as high refractive index regions) 31 having a high refractive index are formed in a plate-shaped organic material, and the high refractive index regions 31 are continuously formed from the lower surface to the upper surface of the plate. On the surface that exists and is perpendicular to the thickness direction of the plate, the cross-sectional area on the plate upper surface (hereinafter referred to as the enlarged surface) is higher than the cross-sectional area on the plate lower surface (hereinafter referred to as the reduced surface) of each high refractive index region 31. Is characterized by large. For example, as shown in FIG. 5A, the high refractive index region (displayed in light color) 31 is divided into a plurality of squares on the upper surface, and on the lower surface, as shown in FIG. The periphery is divided into small squares surrounded by a low refractive index region (shown in dark color) 32. FIG. 5C shows a cross section taken along line AA in FIG. 5A, and the high refractive index region 33 is continuously formed from a large cross section on the upper surface to a small cross section on the lower surface. It is clear that the gap is filled with the low refractive index region 34.
Further, in order to obtain the characteristic of enlarging or reducing the image, the relative positional relationship of the cross sections on the lower surface of the plurality of high refractive index regions 33 is also maintained on the upper surface of the plate. It is clear from (c).
Furthermore, in order to obtain the characteristic of enlarging or reducing the image without distortion, the ratio of the cross-sectional area of the high refractive index region 33 on the lower surface of the plate to the cross-sectional area on the upper surface of the plate is set to a plurality of high refractive index regions 33. It is clear from FIG. 5C that the values are almost the same.
[0011]
(principle)
FIG. 6 is a diagram showing the principle of the present invention.
In the present invention, as shown in FIG. 6, a display image 36 before enlargement is installed on the lower surface of the enlargement optical device. Specific examples include a small liquid crystal display, a small electroluminescence display, and a small CRT. Light emitted from the images 36 of these displays enters the high refractive region 33. Of the incident light, light satisfying the total reflection condition at the interface between the high refractive index region 33 and the low refractive index region 34 propagates toward the upper surface of the high refractive index region 33 of the device of the present invention. Since the cross-sectional area of the surface of the high refraction region 33 on the upper surface perpendicular to the device thickness direction is larger than the cross-sectional area of the surface of the high refraction region 33 perpendicular to the device thickness direction, the pixels incident from the lower surface are enlarged. And displayed on the upper surface. On the contrary, when the image 35 is set on the enlargement surface and observed from the reduction surface side, the image is reduced and displayed.
The present invention is characterized in that the optical path length when enlarging and reducing an image can be made thinner than in the prior art. As mentioned earlier, products sold under the name "TaperMag" are processed by bundling glass fibers, so it is difficult to increase the taper angle when processing into a tapered shape due to processing problems. . Therefore, the thickness of the plate for enlarging cannot be made shorter than the diagonal length of the enlarging surface.
[0012]
FIG. 7 is a sectional view showing the relationship of the light transmission direction with respect to the normal direction of the plate for explaining the principle of the present invention.
In the present invention, as shown in FIG. 7, when one high refractive index region 38 is considered, the angle formed by the fiber center line and the normal direction of the plate can be made large. The thickness can be reduced. Here, as shown in FIG. 5C, if the cross section of the surface parallel to the reduction surface of the fiber has a similar shape from the lower surface to the upper surface (that is, proportional to the surface as shown in FIG. 5C). When the magnification is reduced, the angle between the fiber center line and the normal direction 39 of the plate becomes extremely large, and the cross section seen from the light transmission direction of the waveguide is considerably large. There is a problem that it gets smaller. Therefore, as a further improved configuration, the fiber is tapered only in the vicinity of the enlargement surface, and the fiber diameter is substantially constant when the angle between the reduction surface and the fiber center line and the normal direction of the plate is 45 degrees or more. When configured, the thickness of the plate is minimized. Furthermore, in a region where the angle formed by the fiber center line and the normal direction of the plate is 45 degrees or more, the fiber thickness can be further reduced by making the fiber diameter thinner than the cross section of the reduction surface.
However, in order to suppress chromatic dispersion, the diameter is desirably 1 micron or more.
However, since the light emitted from the pixel has a certain degree of directivity, in the vicinity of the lower surface of the plate on which the original image is incident, the size of the angle formed by the light incident direction and the normal direction 39 of the plate is high. It is desirable that the refractive index region 38 be substantially the same.
[0013]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the light incident direction with respect to the normal direction of the plate for explaining the principle of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view showing the light emitting direction with respect to the normal direction of the plate.
In the vicinity of the lower surface of the plate on which the original image is incident, as shown in FIG. 8, the angle formed by the light incident direction 42 and the normal direction 41 of the plate is preferably small in the high refractive index region 40. That is, it is desirable that the directions of the vectors in both directions 41 and 42 are the same.
The above also applies to the image exit surface. To make the viewing angle dependency of the image uniform, the light exit direction 43 and the normal of the plate are shown in FIG. It is desirable that the angle formed by the direction 45 is small in each high refractive index region 44.
[0014]
FIG. 10 shows another principle of the present invention, and is a cross-sectional view when a microlens array is provided on the lower surface of the plate, and FIG. 11 shows an emission direction when the shape of the upper surface of the plate is made concave in FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view, and FIG. 12 is a cross-sectional view showing the emission direction when the shape of the upper surface of the plate is convex in FIG.
If the amount of light emitted from the upper surface of the plate is small, the microlens array 50 is provided on the lower surface 48 of the plate as shown in FIG. Can be increased. Furthermore, by depositing a light absorption layer or a metal thin film on each fiber, stray light can be prevented and an image with good contrast can be obtained.
Also, as shown in FIG. 11, a concave shape is provided at the plate upper surface position 51 of the high refractive index region 52, or a convex shape is formed at the plate upper surface position 54 of the high refractive index region 55 as shown in FIG. By providing, the viewing angle of the enlarged image can be expanded.
[0015]
The method for producing a device of the present invention is achieved by simultaneously forming a plurality of tapered fibers by bundling them with light having high directivity incident from a fiber bundle to a photo-curing resin mixture. Furthermore, the surface shape of an unevenness | corrugation can be automatically produced by emitting light with respect to the board | substrate on an unevenness | corrugation.
Examples of the photocurable resin used in the present invention include, but are not limited to, acrylic and methacrylic resins. A method of bundling fibers so that the arrangement of individual fibers is not disturbed. With a stretch or shrinkable knitted sheet spread, light from the fiber bundle is incident through it and the sheet is shrunk after forming the fiber. By bundling, a device free from image distortion can be obtained. Elastic or shrinkable stitched sheets are made of rubber, polymer gel (for example, cross-linked poly (meth) acrylic acid and its metal salt, cross-linked polyvinyl sulfonic acid, cross-linked polyalkyl-substituted (meth) acrylamide), Cross-linked products of amino-substituted (meth) acrylamides, cross-linked products of hydrophilic polymer compounds such as triarylmethane derivatives and spirobenzopyran derivatives, but are not limited thereto, and heat-shrinkable sheets (for example, polyolefins) Shrinkage in which various resin layers such as resin, polyamide resin, vinylidene chloride resin, ethylene-vinyl alcohol copolymer resin, ethylene-vinyl acetate copolymer resin, modified polyolefin resin are laminated in various modes The product formed as a conductive multilayer film is effective, but is not limited thereto) It is, but is not limited thereto.
[0016]
(First embodiment)
FIGS. 13 to 15 are process diagrams of a method for manufacturing a two-dimensional enlargement / reduction optical device according to the first embodiment of the present invention.
(Step 1)
As shown in FIGS. 13A and 13B, 7 × 7 multimode fibers 60 (core / clad = 70/90 μm) are arranged at intervals of 250 μm, and one end is a photocurable resin mixed liquid 62 of phenoxyethyl acrylate. When light from an ultra-high pressure mercury lamp was introduced from the other end immersed in the film, it was cured by a photopolymerization reaction, and 7 × 7 fibers 61 having a diameter of 100 μm were simultaneously formed according to the light path. After the fiber 61 is formed, the uncured resin 62 is removed with acetone, and the clad layer is refracted by fluorinated epoxy having a lower refractive index than the photocurable resin 62 by thermosetting so that the diameter of the fiber 61 is 140 μm. Formed.
(Step 2)
One end 5 mm of the fiber 61 in step 1 was placed so that the fiber center line was perpendicular to the enlarged surface, and immersed in the same resin solution as the cladding layer and fixed at 250 μm intervals set initially by thermosetting. Further, the other end is bundled so that the fiber center line is perpendicular to the reduction plane without spacing and the fiber 63 is bent so that the entire thickness of the device is minimized and the arrangement is not collapsed. The whole was fixed by thermosetting as shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b).
[0017]
(Step 3)
When light from an ultra-high pressure mercury lamp was introduced from one end on the closest packing side of the fiber bundle 64 obtained in Step 2, and one end arranged at intervals of 250 μm was immersed in a photocurable resin mixed solution of phenoxyethyl acrylate, The curing reaction progressed by the photopolymerization reaction, and the tapered fiber 64A was self-formed at the initial reaction of 2 mm, and the fiber diameter finally became 200 μm. After the taper fiber 64A was formed, the resin at the uncured portion was removed with acetone, and a fluorinated epoxy having a refractive index of the photocurable resin was formed by thermosetting the cladding layer.
By the above method, a thin enlargement / reduction device having a thickness of 10 mm and a magnification of 2 as shown in FIG. 15 and a length of each fiber constituting the device in accordance with formula (1) described later was obtained. The 64 samples shown in FIG.
[0018]
(Second embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 10, microlens arrays 50 arranged at intervals of 250 μm, which are the core intervals, were arranged on the surface in close contact with the image of sample 1 shown in FIG. This sample is designated as sample 2.
(Third embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIG. In the first example (FIG. 15), after forming each cladding layer, the enlarged surface and the reduced surface were masked, and the entire device 64 was immersed in a black paint. After the paint was dried, the mask was peeled off to obtain a device in which a light absorption layer was applied only to the side surface of the fiber.
This sample is designated as sample 3.
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
In

steps

1 and 3 of the first embodiment, after forming each clad layer, the enlarged surface and the reduced surface were masked, the entire device 64 was placed in a gold vapor deposition apparatus, and 500 gold plating was vapor deposited. This sample is designated as sample 4.
[0019]
(Fifth embodiment)
FIG. 16 and FIG. 17 are manufacturing process diagrams of the two-dimensional enlargement / reduction optical device showing the fifth embodiment.
In Step 3 of the first embodiment, as shown in FIG. 16, a transparent concave substrate 65 was placed 2 mm away from the emission surface in accordance with the position of the light emission direction of each fiber, and light was irradiated to form a tapered fiber. When the transparent concave substrate 65 is removed, a tapered fiber 66A as shown in FIG. 17 having a convex emission end is obtained. This sample is designated as sample 5.
(Sixth embodiment)
FIGS. 18 and 19 are manufacturing process diagrams of a two-dimensional enlargement / reduction optical device according to the sixth embodiment of the present invention.
In this example, at the stage where the fibers 61 in step 2 (FIGS. 13 and 14) of the first example were bundled, the fibers were bundled using a stretchable rubber sheet as follows. A stretchable rubber sheet having 7 × 7 15 μm-diameter micro holes spaced at intervals of 25 μm is subjected to tension 67 in the vertical and horizontal directions as shown in FIG. 18 (a), and fiber as shown in FIG. 18 (b). The area was expanded so that the light from the bundle 60 could pass through the hole with a diameter of 150 μm and an interval of 250 μm. Next, as shown in FIG. 19, the light from the fiber bundle 60 is irradiated to the photo-curing resin through the rubber sheet 68 having an enlarged area, and a fiber is formed by the same method as in Step 1 of the first embodiment. did. Subsequently, in step 2 of the first embodiment, when the fibers were bundled, the fibers could be easily bundled without disturbing the fiber arrangement by gradually relaxing the tension of the rubber sheet. The other portions were produced according to the first embodiment, and a thin enlargement / reduction device having a thickness of about 10 mm and a magnification of 2 times that of the first embodiment was obtained. This sample is designated as sample 6.
[0020]
(Seventh embodiment)
The seventh embodiment will be described based on the first embodiment shown in FIGS.
In the first example, a device was produced in which the fiber center line in the vicinity of the reduction surface and the enlargement surface was fixed at an angle of 45 degrees or more with respect to the reduction surface or the enlargement surface.
This sample is designated as sample 7.
(Eighth embodiment)
The eighth embodiment will be described below.
In the first example, a device having a fiber length ln according to the following formula was manufactured. This sample is designated as sample 8.
[Expression 2]

(Ninth embodiment)
The ninth embodiment will be described based on the first embodiment shown in FIGS.
In the first embodiment, a device having a fiber length ln according to the following formula was manufactured. This sample is designated as sample 9.
[Equation 3]

[0021]
(Tenth embodiment)
FIG. 20 is a manufacturing process diagram of a two-dimensional enlargement / reduction optical device according to the tenth embodiment of the present invention.
In this example, in the step of bundling the fibers in Step 2 of the first example, the fibers were bundled using the polymer gel 69 as follows.
First, polymerization was performed using acrylic acid as the main monomer and methylene bisacrylamide as the cross-linking agent to prepare a polymer gel sheet 69. Subsequently, the polymer gel sheet 69 is placed in the solution 70 having a pH of about 7.0, and the fiber is penetrated through the polymer gel 69 in a state where the polymer gel 69 is in a saturated swelling state. The state was as follows. The polymer gel 69 was contracted by changing the pH of the solution 70 to about 3.0, and the fibers were automatically bundled without breaking the arrangement. The other portions were produced according to the first embodiment, and a thin enlargement / reduction device having a thickness of 10 mm and a magnification of 2 times was obtained as in the first embodiment.
This sample is designated as sample 10.
[0022]
(Eleventh embodiment)
The eleventh embodiment will be described with reference to FIGS.
In the fifth embodiment (FIGS. 16 and 17), a similar device was fabricated using a convex transparent substrate instead of the transparent concave substrate 65. This sample is designated as Sample 11.
[0023]
(Evaluation result of the created sample)
As for the samples No. 1 to No. 11 above, (1) image brightness, (2) image brightness uniformity, (3) contrast, (4) viewing angle size, (5) production time, The above five items were evaluated. In the table, ○, Δ, and × were evaluated according to the following criteria.
The production time is indicated by “%” based on the production time of Sample 1. As the original image, an image obtained by projecting an ITE test chart created on a transparent film with a color viewer was used.
Brightness
○: Brightness of the image before enlargement (cd / cm2) ÷ Brightness of the image after enlargement (cd / cm2) × Enlargement magnification (area ratio) is less than 2.0
Δ: Brightness of the image before enlargement (cd / cm2) ÷ Brightness of the image after enlargement (cd / cm2) × Enlargement magnification (area ratio) 2.0 to less than 3.0
×: Brightness of the image before enlargement (cd / cm2) ÷ Brightness of the image after enlargement (cd / cm2) × Enlargement magnification (area ratio) is 3.0 or more
Brightness uniformity
○: Image brightness (cd / cm2) uniformity is less than ± 10%
Δ: Uniformity of image brightness (cd / cm2) ± 10% or more and less than ± 30%
×: Image brightness (cd / cm2) uniformity is ± 30% or more
contrast
○: 20 or more
Δ: 5 or more and less than 20
X: Less than 5
Viewing angle size
○: Viewing angle is 90 ° or more
Δ: Viewing angle is 30 ° or more and less than 90 °
×: Viewing angle is less than 30 °
[0024]
FIG. 21 is a diagram showing the evaluation results for each sample.
In sample 2, light from the original image, which was lost in the low refraction region in sample 1, was guided to the high refraction region by the microlens, so the brightness became brighter, and the contrast increased accordingly.
In

Samples

3 and 4, since a light absorbing layer or a metal thin film was deposited on the side surface of each fiber, stray light from adjacent fibers disappeared and the contrast was improved.
In

Samples

5 and 11, the divergence angle of the image light can be increased by making the shape of the high refractive index region on the light exit surface convex or concave, and the viewing angle is improved as compared with Sample 1.
[0025]
In sample 6, the device fabrication time could be halved because the arrangement of many fibers could be easily bundled without disturbing.
In sample 7, the fiber center line in the vicinity of the reduction surface and the enlargement surface is fixed at an angle of 45 degrees or more to the reduction surface or the enlargement surface, so the line connecting the center of the cross section of the high refractive index region and the normal direction of the plate As the angle formed by the angle increases, the incident efficiency of light incident from the lower surface of the plate deteriorates, and the central axis of the light emission direction when the light is emitted from the upper surface of the plate is greatly inclined from the normal direction of the plate. As a result, the brightness uniformity and the like deteriorated.
Sample 8 has a long fiber length, so that the surface of the device becomes uneven, the optical path becomes longer than necessary, and the brightness becomes dark.
In sample 9, the length of the fiber was too short, the surface of the device became uneven, and the uniformity of viewing angle and brightness deteriorated. The length of the fiber of sample 1 was in accordance with equation (1), the device surface was smooth, and the above evaluation items were also better than samples 8 and 9. Therefore, it is desirable that the fiber length conforms to the formula (1).
The sample 10 can easily bundle a plurality of fibers automatically without changing the arrangement, and further, it is not necessary to apply a force to enlarge the sheet, so that the time and effort for manufacturing the device can be saved.
[0026]
【The invention's effect】
  As explained above, according to the present invention,By condensing with the microlens, light that is irradiated to the cladding and lost can be reduced (Claim 1), light leakage between fibers can be prevented, and stray light can be prevented (Claim 2). By making the shape concave and convex, it is possible to improve the efficiency of capturing light from the image, to brighten the image on the upper surface of the plate, and to widen the viewing angle (Claim 3), and automatically A plurality of fibers can be easily bundled without changing the arrangement (Claim 4), and a plurality of fibers can be automatically bundled without changing the arrangement, and a force is applied to expand the sheet. There is an effect that it is not necessary to hang (Claim 5).
[0027]
  Furthermore, according to the present invention,By following Equation 1, there is obtained an effect that a fiber having good device surface property, minimum device thickness, and light uniformity can be obtained (claim 6).
In addition, according to the present invention, the weight can be reduced as compared with inorganic glass, the device can be made thin with a constant amount of light, the fabrication can be simplified, the shape of the fiber can be simplified, and the thickness of the device can be reduced. It is possible to obtain effects such as that the thickness of the device can be reduced and that the device can be reduced in thickness.
[0028]
  Furthermore, according to the present invention, it is easy to produce irregularities., ProductEasy to manufacture and can also automatically taper, StructureThe device is simple, the device is thin, easy to manufacture, and the fiber spacing is the same as the enlarged surface from the beginning, so the fibers can be bundled easily.,lightWhen the surface reaches the concavo-convex surface, the exit surface automatically becomes concavo-convex shape.ExtremeEasier and easierBetweenPrevent light leakage and prevent stray light, EtcEffectobtain.
[0029]
  Furthermore, according to the present invention, a plurality of fibers can be easily bundled automatically without changing the arrangement.TheDynamically bundle multiple fibers without changing the arrangement, and no need to apply force to expand the sheet,etcThe effect ofcan get.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall perspective view of a prior art (JP-A-5-88617) (Method A).
FIG. 2 is a schematic view of a conventional technique (Japanese Patent Laid-Open No. 6-51142) (Method B).
FIG. 3 is a schematic view of a conventional technique (Japanese Patent Laid-Open No. 9-252444) (Method C).
FIG. 4 is a schematic view of a conventional technique (Japanese Patent Laid-Open No. 7-43702) (Method D).
FIG. 5 is an upper surface, a lower surface and a cross-sectional view showing a basic configuration of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing the principle of the two-dimensional enlargement / reduction optical device of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the principle of the normal direction and the transmission direction in the two-dimensional enlargement / reduction optical device of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the principles of the normal direction and the light incident direction of the two-dimensional enlargement / reduction optical device.
FIG. 9 is a diagram showing the principle of the normal direction and the light emission direction of the two-dimensional enlargement / reduction optical device.
FIG. 10 is a diagram showing a method for arranging a microlens array in the two-dimensional enlargement / reduction optical device of the present invention.
FIG. 11 is a diagram in which the plate upper surface position of the two-dimensional enlargement / reduction optical device of the present invention is made concave.
FIG. 12 is a diagram in which the top surface of the two-dimensional enlargement / reduction optical device is similarly convex.
FIG. 13 is a manufacturing process diagram of the two-dimensional enlargement / reduction optical device showing the first embodiment of the invention.
FIG. 14 is a manufacturing process diagram of the two-dimensional enlargement / reduction optical device according to the first embodiment.
FIG. 15 is a manufacturing process diagram of the two-dimensional enlargement / reduction optical device, similarly showing the first embodiment.
FIG. 16 is a manufacturing process diagram of a two-dimensional enlargement / reduction optical device showing a fifth embodiment of the invention.
FIG. 17 is a manufacturing process diagram of the two-dimensional enlargement / reduction optical device showing the fifth embodiment.
FIG. 18 is a manufacturing process diagram of a two-dimensional enlargement / reduction optical device showing a sixth embodiment of the invention.
FIG. 19 is a manufacturing process diagram of a two-dimensional enlargement / reduction optical device, similarly showing the sixth embodiment.
FIG. 20 is a manufacturing process diagram of a two-dimensional enlargement / reduction optical device according to the tenth embodiment of the invention.
FIG. 21 is a list of evaluation results of created samples.
[Explanation of symbols]
31, 33, 38, 40, 44, 46, 52, 55 ... high refractive index region,
32, 34, 47, 53, 56 ... low refractive index region,
35 ... Display image enlarged, 36 ... Display image before magnification,
37 ... Light transmission direction, 39, 41, 45 ... Normal direction of the plate,
42 ... Light incidence method, 43 ... Light emission direction, 48 ... Plate lower surface position,
49 ... Display image before enlargement, 50 ... Microlens array,
51, 54 ... plate top surface position, 60 ... multimode fiber bundle,
61 ... formed fiber, 62 ... photo-curing resin, 63 ... fiber,
64, 66 ... fiber bundle, 64A ... tapered fiber,
65 ... Transparent concave substrate, 66A ... Convex taper fiber, 67 ... Tension,
68 ... stretch sheet, 69 ... polymer gel, 70 ... pH 7 solution.

Claims

A plurality of high refractive index regions having a high refractive index are formed in the material constituting the plate, and the high refractive index regions are continuously present from the lower surface to the upper surface of the plate, and each of the high refractive index regions. The cross-sectional area of the enlarged surface that is the upper surface of the plate is larger than the cross-sectional area of the reduced surface that is the lower surface of the plate,
The high refractive index region is a polymer fiber, the length lx of the polymer fiber at an arbitrary position is expressed by the following equation, and the polymer fiber is tapered only in the vicinity of the enlargement surface and is reduced. A two-dimensional enlargement / reduction optical device characterized in that the fiber diameter is substantially constant when the angle between the surface vicinity and the polymer fiber center line and the normal direction of the plate is 45 degrees or more .

N is the total number of fibers, a is the number when each fiber is numbered, Sa is the area of the high refractive index region of the fiber a on the enlargement surface, sa is the area of the high refractive index region of the fiber a on the reduction surface, and lmin Is the length of the shortest fiber, t is the average fiber spacing of the reduction plane, n is the number of fibers between any fiber and the shortest fiber, and θ is the position of the fiber with the reduction plane The angle formed by the straight line connected to the position of the fiber on the expansion surface and the reduction surface.

The two-dimensional enlargement / reduction optical device according to claim 1,
A two-dimensional enlargement / reduction optical device, wherein a light absorption layer or a metal thin film is deposited on the polymer fiber.

The two-dimensional enlargement / reduction optical device according to claim 1,
A two-dimensional enlargement / reduction optical device, wherein one end or both ends of each of the polymer fibers form a convex shape or a convex shape.

The two-dimensional enlargement / reduction optical device according to claim 1,
Each of the polymer fibers is at least partially joined by a shrinkable knitted polymer material, a two-dimensional enlargement / reduction optical device.

The two-dimensional enlargement / reduction optical device according to claim 1,
Each two-dimensional scaling optical device, wherein at least part of which is joined by obtained Ru material Ri preparative polymer gel state of the polymer fiber.

The method for manufacturing a two-dimensional enlargement / reduction optical device according to claim 1,
Photopolymerization is performed by arranging mxm multi-mode fibers at predetermined intervals, soaking one end in a photocurable resin mixture of phenoxyethyl acrylate and introducing light from an ultrahigh pressure mercury lamp from the other end. Cured by reaction, m × m fibers of 100 μm diameter are simultaneously formed according to the light path, the resin of the uncured part is removed with acetone, and the cladding layer is made of the above-mentioned photocurable resin so that the fiber diameter becomes 140 μm. A fluorinated epoxy with a low refractive index is formed by thermosetting,
5 mm of one end of the fiber is arranged so that the fiber center line is perpendicular to the enlarged surface, and immersed in the same resin liquid as the cladding layer and fixed at the predetermined interval set by heat curing, and Bend the fibers so that the fiber centerline is perpendicular to the reduction plane without spacing one end, and the entire device thickness is minimized, and bundle so that the arrangement does not collapse. The whole is fixed by curing,
By introducing light from an ultra-high pressure mercury lamp from one end on the closest packing side of the entire fiber and immersing one end arranged at a predetermined interval in a photo-curable resin mixture of phenoxyethyl acrylate, A curing reaction is caused by a polymerization reaction, and a tapered fiber is self-formed at an initial reaction of 2 mm. Finally, the diameter of the fiber is set to 200 μm to form a tapered fiber, and then the uncured resin is removed with acetone. two-dimensional scaling optical device manufacturing method which is characterized in that is formed by thermal curing of the lower fluorinated epoxy refractive index than the light-curable resin cladding layer.