JP4739177B2 - 画像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光透過性を有する球を利用した画像表示装置に関する。
従来の画像表示装置として、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
液晶ディスプレイは、液晶に電圧を印加して配向を変化させ、偏光フィルタを用いて、バックライト等の光源からの光を遮光・透過させて画像を表示する。しかしながら、この液晶ディスプレイでは、液晶の原理上、液晶の配向変化に時間を要するため応答速度が遅い、視野角が狭い、暗所でのコントラストが取れない、光透過率が悪いためディスプレイ輝度を確保するためにある程度のバックライト輝度を必要とし（例えば、10000Ｃｄ／ｍ２）、そのため消費電力が大きくなる等の問題がある。さらに、液晶ディスプレイでは、高精細にした場合に、ディスプレイのピクセルのサイズが小さくなるため、より輝度の高いバックライトを必要とし消費電力が大きくなる等の問題がある。
また、プラズマディスプレイは、Ｘｅガスを充填したセル内で放電を行い、真空紫外領域（140ｎｍ）の紫外線を利用してＲＧＢ蛍光体を励起し、ディスプレイのピクセルを構成して画像を表示する。このため、プラズマディスプレイでは、ピクセルが大きくなり小型ディスプレイには適さない、真空紫外領域の光は７〜８ｅＶと大きな光エネルギーを有するため、ピクセル内に塗布又は蒸着された蛍光体の劣化が避けられず寿命が短い、真空紫外領域の紫外線から可視光へのエネルギー変換効率が悪いため、動作時の消費電力が大きい等の問題がある。
また、有機ＥＬディスプレイは、電圧の印加により発光する有機発光材料を光透過性を有する基板に塗布又は蒸着して、直流電圧を印加して画像を表示する。この有機ＥＬディスプレイでは、有機発光材料の性質上、有機発光材料の寿命が確保できない、有機発光材料は湿度に極端に弱い、効率の良い有機発光材料が無いため消費電力が大きくなる、有機発光材料を大面積にわたって一様に成膜することが困難である、有機発光材料が高価である等の問題がある。
液晶・ＰＤＰ・有機ＥＬ徹底比較（工業調査会）
本発明は、上記事情に鑑み、応答速度が速く、省電力、高輝度、広視野角及び高コントラストを実現可能な、簡易な構造の画像表示装置を提供することを目的とする。
本発明の画像表示装置は、発光部と、前記発光部から出力される光を伝播する光ファイバと、前記光ファイバとエバネッセント結合を生じるように配置された、光透過性を有する複数の球とを備え、前記複数の球は、それぞれ、前記エバネッセント結合により該光ファイバから各球へ入った光が内部に閉じ込められる光モードを生成し、且つ該光モードを生成するための所定の共鳴周波数が各球について互いに異なるように形成され、前記複数の球から出る光によって画像を表示することを特徴とする。
この画像表示装置によれば、発光部は光ファイバに光を出力可能であればよいものであるから、例えば半導体レーザ等の、入手が容易でパワーが大きく効率が良い発光素子を使用可能である。また、光ファイバを伝播する光がエバネッセント結合により球へ入って、内部に閉じ込められる光モードに変換されるので、光ファイバ中の光が迅速に損失なく球の内部へ入ることが可能であり、効率良く画像の表示に使用される。
そして、所定の共鳴周波数が各球について互いに異なるように形成されているので、発光部から出力されて光ファイバを伝播する光の周波数を制御することにより、光ファイバから任意の球に光を入れ、この球から出る光により画像を表示することができる。このような光の周波数の制御は、例えば電気光学効果を利用した光周波数変調により高速に実行可能である。しかも、所定の球のみから光を出して画像を表示するので、コントラストの高い画像を表示可能である。また、球からは多様な方向へ光を出すことが可能であり、さらに、光ファイバと複数の球とを様々に配置することができる。よって、広い視野角が可能であり、また、装置の大きさや形状の自由度が高い。
従って、本発明によれば、簡易な構造の画像表示装置で、応答速度が速く、省電力、高輝度、広視野角及び高コントラストを実現可能とすることができる。
また、本発明の画像表示装置において、前記複数の球は、それぞれ、径が互いに異なるように形成されることが好ましい。この場合、径に応じて各球の所定の共鳴周波数が変わるものであるから、共鳴周波数が互いに異なるように各球を形成することができる。
また、本発明の画像表示装置において、前記複数の球は、それぞれ、屈折率が互いに異なるように形成されることが好ましい。この場合、屈折率に応じて各球の共鳴周波数が変わるものであるから、共鳴周波数が互いに異なるように各球を形成することができる。
また、本発明の画像表示装置において、前記発光部は、所定の周波数の光を出力する発光素子と、該発光素子から出力された光を、前記複数の球の所定の共鳴周波数に対応する周波数に変調する周波数変調器とから構成され、前記複数の球のうちの前記所定の共鳴周波数を有する球から光を出させることが好ましい。この場合、周波数変調器は、例えば電気光学効果を利用して高速に光の周波数変調を実行可能である。そして、発光素子の出力光を周波数変調することにより、所定の共鳴周波数を有する球から光を出させることができ、任意の球を点灯させて画像を表示することが可能となる。
また、本発明の画像表示装置において、前記発光部は、赤色、青色、緑色の光をそれぞれ出力する発光素子を有し、前記複数の球は、前記発光部から伝播した赤色の光を出す複数の赤色球と、前記発光部から伝播した青色の光を出す複数の青色球と、前記発光部から伝播した緑色の光を出す複数の緑色球に分類され、前記赤色球、青色球、緑色球から出る光によってカラー画像を表示することが好ましい。この場合、赤、青、緑色球を組み合わせて配置して、各色の球の点灯強度や点灯時間の比率を制御することで、カラー画像を表示することができる。
または、本発明の画像表示装置において、前記発光部は、赤色、青色及び緑色以外の光を出力する発光素子を有し、前記複数の球は、前記発光部から伝播した光を吸収して所定色の発光を示す蛍光体が添加されており、該発光により画像が表示されることが好ましい。この場合、可視光以外の発光素子を用いて、容易に画像を表示することができる。
また、本発明の画像表示装置において、前記複数の球は、赤色の発光を示す蛍光体が添加された複数の赤色球と、青色の発光を示す蛍光体が添加された複数の青色球と、緑色の発光を示す蛍光体が添加された複数の緑色球に分類され、前記赤色球、青色球、緑色球から出る光によってカラー画像を表示することが好ましい。この場合、赤、青、緑色球を組み合わせて配置して、各色の球の点灯強度や点灯時間の比率を制御することで、カラーの画像を表示することができる。
また、本発明の画像表示装置において、前記発光素子は、赤外レーザであり、前記蛍光体は、励起周波数より高い周波数で発光するアップコンバージョン蛍光体であることが好ましい。すなわち、複数の球は、エバネッセント結合により光ファイバから各球へ入った光が内部に閉じ込められる光モードを生成するのものであるので、球内での光エネルギーは光学的非線形効果を引き出す程度に十分大きなものとなる。よって、入力光のエネルギーに対する発光エネルギーが非線形的に大きくなり、高いエネルギーの光を効率良く作り出すことができる。よって、発光素子として、エネルギーの低い赤外光を出力する赤外レーザを用いても、アップコンバージョン蛍光体を効率良く励起して可視光を発光できる。これにより、一般に安価な赤外レーザを用いて、容易に画像表示装置を構成することができる。
また、本発明の画像表示装置において、前記発光部は、赤色、青色又は緑色のうちの所定色の光を出力する発光素子を有し、前記複数の球は、前記発光部から伝播した光を出力する複数の所定色の球と、該発光部から伝播した光を吸収して、赤色、青色又は緑色のうち前記所定色以外の色の発光を示す蛍光体が添加された複数の所定色以外の球とに分類され、前記所定色及び所定色以外の球から出る光によってカラー画像を表示することが好ましい。この場合、発光素子の出力する所定色の光は画像表示にそのまま用いると共に、所定色以外の色については蛍光体の発光により得ることができ、効率良く画像を表示することができる。
［第１実施形態］
図１に示すように、本発明の第１実施形態の画像表示装置は、所定の周波数の光を出力する発光部１と、発光部１から出力された光を伝播する光ファイバ２と、光ファイバ２と結合された光透過性を有する複数の球３とを備えている。
球３は、光ファイバ２とエバネッセント結合を生じるように、光ファイバ２の側面に沿って配置されている。また、球３は、エバネッセント結合により光ファイバ２から各球へ入った光が内部に閉じ込められる光モードを形成するように形成されている。この光モードは、一般に、ＷＧモード（Whispering-Garally mode）と呼ばれる。
ここで、球３の光モードと前記エバネッセント結合との関係について説明する。まず、微小な完全球内に光が入射すると、平面電磁波と球との相互作用により、光が完全球内に閉じ込められた光モード（ＷＧモード）が発生する。この球の光モードは、主量子数（order number）ｍ、方位量子数（angular number）ｎ、方位量子数（azimuth）ｌの３つの指標と、偏光ＴＭ，ＴＥとで指定される。完全球では、ｍが異なる光モードは縮退しており、光モードはＴＭｌ，ｎと指定される。なお、実際の球では、縮退は複雑に解けており、完全なＷＧモードではなくＷＧモードに近似した光モードが発生する。
そして、図２に示すように、球３を光ファイバ２の側面から距離ｄの位置に配置すると、球３の光モードと光ファイバ２の光モードとの間で、光のトンネル現象によるエバネッセント場の結合が生じる。このとき、球３の光モードと光ファイバ２の光モードとが一致するような所定の共鳴周波数において、エバネッセント結合により、光ファイバ２中を伝播する光Ａ０が球３に入り、球３の内部に閉じ込められる（図２中の矢印Ｂ，Ｂ０）。なお、以下の記述で、この原理をFrequency Dropと呼ぶ。これにより、光ファイバ２の出射端側で光出力Ａを観測した場合には、図３に示すように、所定の共鳴周波数において光が吸収を受けたようなスペクトルを形成する。なお、図３のグラフにおいて、横軸は共鳴周波数との周波数差を示し、縦軸は正規化された光強度を示す。
また、図３には、球の距離ｄが異なる（ｄ＝ｄ１，ｄ２，ｄ３）場合について、それぞれ図示されている。このように、距離ｄに応じて球３に入る光量が異なる。すなわち、光ファイバ２と球３の距離ｄが近くなるほど、光ファイバ２から球３へのエバネッセント結合の度合が大きくなり、光ファイバ２から球３へ入射する光量は大きくなる。一方、同時に、球３から光ファイバ２へのエバネッセント結合の度合も大きくなるため、逆に球３から光ファイバ２へと光が戻るプロセスも存在する。このとき、光ファイバ２中の光が球３にほぼ１００％移行する条件は、球３の内部における光の吸収・散乱損失係数と、光ファイバ２と球３との距離ｄとに応じて定まる。よって、距離ｄ等の最適化を図ることによって、光ファイバ２の中の光を損失なく球３内の光モードへと変換することが可能となる。なお、ある程度の損失を容認すれば、光ファイバ２と球３との間の距離ｄに関わらず、Frequency Dropを応用した画像表示装置を構成することが可能である。
複数の球３は、具体的には、例えば、接着剤等を用いて光ファイバ２又は所定の基板に固着させる。この場合、接着剤等の厚みや基板の配置により距離ｄを制御可能である。または、球３と光ファイバ２との間には分子間力（van der Waals力）が働くので、特殊な接着剤を利用しなくともこの分子間力により結合することも可能である。ただし、この場合は、距離ｄを制御することは困難となる。なお、分子間力を利用して球３の位置決めを行い、この状態で接着剤等を用いて固着することも可能である。
図１に戻り、光ファイバ２に結合された複数の球３は、それぞれ、径が互いに異なるように形成されている。これにより、複数の球３は、上述の光モードを生成するための所定の共鳴周波数が各球について互いに異なるように形成される。
ここで、球３の径と共鳴周波数との関係について説明する。光が球３に入射して散乱される散乱光エネルギーＷｓは、以下の式（１）のように示される。
Figure 0004739177

なお、Ｅ０は電場のＤＣ成分、ｋ２は波数ベクトル、ε２は誘電率、μ２は透磁率、ａe ｎ，ｂe ｎは平面波をベクトル球面波関数で展開した際の係数である。
例えば、上記の式（１）におけるｎ＝２０の成分とｎ＝２１の成分のみの和をとった場合、そのスペクトルは図４のグラフに示すようになる。図４のグラフにおいて、縦軸は散乱光エネルギーを示し、横軸は、波長をλ、球の半径をａとして、Ｘ＝２πａ／λで定義されるサイズパラメータＸを示す。図４のグラフに示すスペクトルから、周波数間隔（Free-Spectral Range（FSR））ΔX、周波数線幅δｘを読み取ると、ΔX＝０．７４、δｘ＝０．１０７となる。従って、球のフィネスFinesse＝ΔＸ／δｘは７程度となる。このフィネスは、ｎ＝２０〜２１において配置可能な球の個数（ΔＸ内で互いに異なる共鳴周波数をとり得る球の個数）の程度を示す。
このとき、図４のグラフに示すように、Ｘ＝１８．５程度に共振ピークがある。そこで、この値をサイズパラメータＸに代入することによって、球の半径ａをａ＝１．８μｍと求める。なお、ここではλ＝０．６μｍとしている。そして、半径ａを１．８μｍ近傍（ΔＸ内）で微小に変化させることによって、エバネッセント結合する共鳴周波数を変化させることができる。よって、図１に示すように、複数の球３の径を違えて配置することによって、複数の球３のうちの光ファイバ２を伝播する光の周波数に対応する共鳴周波数を有する球を発光させることが可能となる。図４に示した例では、ΔＸ内で周波数の値を離散的に変えることによって、７個程度の球３を発光させることが可能となる。
図４に示した例では、半径１．８μｍ程度の球ではΔＸ内に入る共振ピークは高々７個なので、７画素しか表示できないが、上記式（１）より、球の半径ａ等を適切に選択することにより、球のフィネスを高めることが可能となる。従って、１本のファイバで多数の球を点灯することが可能となり、ひいては周波数を適宜選択することによって、画像を表示することが可能となる。
例えば、半径５μｍ前後の球を考えると、ｎ＝６０，６１として、上述の例のように、ＴＭ１，６０とＴＭ１，６１の周波数間隔ΔＸ、ＴＭ１，６１の周波数線幅δｘをサイズパラメータで表す。この場合、周波数間隔ΔＸは０．６９、周波数線幅δｘは５．２×１０−６となる。従って、微小球のフィネスFinesseは１０５程度となる。このとき、ＴＭ１，６０とＴＭ１，６１の共振ピークのサイズパラメータＸは、それぞれ、Ｘ（ＴＭ１，６０）＝４７．８６、Ｘ（ＴＭ１，６１）＝４８．６１となる。これらの値より、球の半径を求めると、ａ（ＴＭ１，６０）＝４．５７μｍ、ａ（ＴＭ１，６１）＝４．６４μｍとなる。従って、原理的には、これらの球の半径４．５７〜４．６４μｍの間に、半径を変化させることで、１０５個の微小球を詰め込むことが可能である。ただし、実際には原子層以下でサイズを制御することは不可能であるので、微小球の半径の変化幅として、１０−１０cm程度を限界とする。これを拘束条件とすると、最大１０００個程度の球を原理的に点灯させることが可能となる。
なお、球３のサイズとしては、例えば１〜１００μｍ程度の直径のものが挙げられる。また、球３の素材としては、例えば、ＳｉＯ２，ＴｉＯ２が挙げられる。球３は、稠密でも中空でもよく、光モードを損なわない程度であれば気泡等が含まれていてもよい。
上述のように球径が互いに異なる複数の球３を光ファイバ２の側面に沿って配置する手法としては、例えば、サイズの揃った微小球をエッチングする手法を用いることができる。
具体的には、まず、サイズの揃った微小球を準備する。このとき、作製したい画像表示装置の精細度に合わせて微小球のサイズを選定する。サイズの揃った（径の標準偏差が小さい）微小球には、例えば、粒子径標準粒子として、ポリスチレンラテックス粒子、シリカ粒子を用いることができる。
次に、これらの微小球を配列した２次元微小球配列膜を、単分散粒子の自己組織化法を利用して所定の基板上に作製する。これらについては、例えば、「コロイド結晶膜の作製」（色材,76[2],67-70,2003）、「Two-dimensional crystallization」（Nature,VOL.361,7,JANUARY
,1993）「Fabrication of High-Quality Opal Films with Controllable Thickness(CHEMISTRY of MATERIALS,Vol.14,No.2,P.760-765)」等に記載された手法を利用することで、簡便な装置で２次元微小球配列膜を作製することができる。この際、微小球の種類、微小球を分散させる溶媒の種類、微小球の濃度、乾燥時間等が、自己組織化膜を作製するパラメータとなる。
次に、サイズの揃った微小球をエッチングして、各球のサイズを任意に小さくする。例えば、ＳｉＯ２微小球の場合、希ＨＦ又はＨＦ蒸気でエッチングを行う。または、他のガスとして、ＣＨＦ３（ＣＦ４＋Ｈ２）をプラズマ化してエッチングを行ってもよい。このエッチングプロセスで微小球とそれを乗せた基板とがある程度強固に結合するようになる。また、このとき、２次元微小球配列膜をエッチングガス中から徐々に引き出すことによって、微小球サイズを引き上げ方向に対して徐々に小さくすることができる。
そして、この基板上に作製された２次元微小球配列膜上に光ファイバ、レーザ及び周波数変調器等を乗せて接続することにより、画像表示装置の構成が可能となる。
また、微小球を配置する他の手法として、例えば、光ファイバを２次元的に整列させたものを基板とし、この基板上に上述のように自己組織化法を使用して２次元微小球配列膜を作製し、次に、上述のようにエッチングプロセスで微小球のサイズを調整してもよい。この場合、光ファイバと微小球を異なる材質とし、微小球を選択的にエッチング可能なエッチングガスを使用する。例えば、光ファイバがＧｅ又はフッ化物を含む材質で形成され、微小球がＳｉＯ２で形成されている場合、選択的にエッチング可能である。
次に、画像表示装置の詳細な構成について図５を用いて説明する。なお、図５には、３原色のうちの青色の表示に関する構成のみ示してあるが、赤色、緑色の表示に関する構成も同じである。そこで、代表的に青色の表示に関して説明する。
画像表示装置は、Ｎ×Ｍのピクセルで構成されるカラー画像を表示する。画像表示装置には、その画像のライン数であるＮ本の光ファイバ２B１〜２BNが備えられ、各光ファイバ２B１〜２BNの側面に沿って、Ｍ個の互いに径の異なる球３Ｂ1１〜３Ｂ1Ｍ，３Ｂ２１〜３Ｂ２Ｍ，…，３ＢＮ１〜３ＢＮＭが配置されている。なお、本実施形態では、例えば、Ｎ＝１０００，Ｍ＝１０００とする。
そして、発光部１は、単一周波数青色レーザ４Ｂと、レーザ４Ｂから出力された光を周波数変調する周波数変調器５Ｂと、周波数変調器５Ｂで変調された光から各ラインの光ファイバ２B１〜２BNに対応する周波数の光を抽出する周波数フィルタ６Ｂ１〜６ＢNと、抽出された光をそれぞれ周波数変調する周波数変調器５Ｂ１〜５ＢNとを備えている。なお、図５には、図示の便宜上、３×３ピクセル分の光ファイバと球とを記載している。
青色レーザ４Ｂは、具体的には、例えば、画像を構成するための青の周波数としての６６０ＴＨｚ（４５０ｎｍ）の青色光を出力する。青色レーザ４Ｂとしては、例えば、半導体励起周波数安定化ＧａＮレーザが用いられる。なお、緑、赤については、例えば、緑の周波数としての５５０ＴＨｚ（５５０ｎｍ）、赤の周波数としての４６０ＴＨｚ（６５０ｎｍ）の光を出力するレーザを用いる。
また、周波数変調器５Ｂ、５Ｂ１〜５ＢNは、電気光学効果（光が透過する物質（例えば、誘電体の結晶）に電場をかけると、屈折率等が変化する効果）を用いたものであり、透過する光の周波数が電圧の印加により変調される。周波数変調器５Ｂは、レーザ４Ｂから出力された光（周波数ν）を、ν＋δνN（９９９〜０ＧＨｚ）に周波数変調する。このδνN（９９９〜０ＧＨｚ）の周波数成分によって、各ラインのアドレスが指定される。例えば、δνNが０ＧＨｚの場合、１番目のライン（♯Ｂ１）を示す。さらに、各ラインの周波数変調器５Ｂ１〜５ＢNは、光ファイバを伝播してきた光（周波数ν＋δνN）を、ν＋δνN＋δνＭ（９９９〜０ＭＨｚ）に周波数変調する。このδνＭ（９９９〜０ＭＨｚ）の周波数成分によって、各ライン上の球のアドレスが指定される。なお、周波数フィルタ６Ｂ１〜６ＢNとしては、バンド幅１ＧＨｚ程度を有するのものを用いる。
次に、本実施形態の画像表示装置の作動について説明する。以下では、青色を表示する場合について説明する。まず、単一周波数青色レーザ４Ｂから６６０ＴＨｚの青色光（周波数ν）が出力される。次に、この出力光が周波数変調器５Ｂにより周波数変調される（ν＋νＮ（９９９〜０ＧＨｚ））。次に、周波数フィルタ６Ｂ１〜６ＢNにより、周波数変調された光が各ラインの光ファイバ２Ｂ１〜２ＢNに割り振られる。次に、周波数変調器５Ｂ１〜５ＢNにより、各ラインに割り振られた光が周波数変調される（ν＋νＮ＋νＭ（９９９〜０ＭＨｚ））。これにより、ν＋νＮ（９９９〜０ＧＨｚ）＋νＭ（９９９〜０ＭＨｚ）の光が光ファイバ２Ｂ１〜２ＢN中を伝播し、光ファイバ２Ｂ１〜２ＢNと球の間でエバネッセント結合が生成される。次に、光ファイバ２Ｂ１〜２ＢN中を伝播する光が、その周波数に対応する共鳴周波数を有する所定の球に入り、球内でＷＧモードを生成する。そして、このＷＧモードの光が球から出ることにより球が発光する。例えば、周波数変調された光周波数が６６０ＴＨｚ＋０ＧＨｚ＋０ＭＨｚの場合は、球３Ｂ１１が青色で発光する。
画像表示装置は、以上の処理を高速で所定回繰り返すことによって、画像の所定のピクセルに対応する球を点灯させ、画像を表示する。さらに、画像表示装置は、上述の青色を表示する処理と同様に、緑色、赤色を表示する処理を行うことにより、カラー画像を表示する。
なお、本実施形態では、１個の単一周波数青色レーザを周波数変調してラインに割り振るものとしたが、他の実施形態として、単一周波数青色レーザ（例えば、青色周波数安定化半導体レーザ）を予めライン分用意し、この各レーザをそれぞれ外部電気信号によって各ラインに割り振られるようにしてもよい。緑色、赤色の表示に関しても同様である。なお、この場合、鮮明な共振を得るために、レーザとして、ＫＨｚ程度の線幅を有する周波数安定化レーザを用いることが好ましい。
また、本実施形態では、複数の球の球径を変化させることにより、各球における共鳴周波数を互いに異なるように形成したが、共鳴周波数は球の屈折率によっても変化させることが可能である。よって、例えば、微小球がガラスで構成される場合に、微小球の大きさを同一にして、ガラス球のガラス屈折率の異なるものを混合させて、各球で微小な屈折率変化がついた同一半径のものを光ファイバ上に配置するようにしてもよい。
［第２実施形態］
図６に示すように、本発明の第２実施形態における画像表示装置は、発光素子として、３原色分の単一周波数紫外レーザを用いている。さらに、この画像表示装置は、微小球として、紫外光を吸収して青色、緑色、赤色の発光を示す蛍光体が添加された微小球を用いている。これ以外の、本実施形態の画像表示装置の基本的な原理は、第１実施形態と同じである。
画像表示装置は、第１実施形態と同様に、Ｎ×Ｍのピクセルで構成されるカラー画像を表示する。青色の表示に関しては、画像表示装置には、画像のライン数であるＮ本の光ファイバ２B１〜２BNが備えられている。そして、各光ファイバ２B１〜２BNの側面に沿って、Ｍ個の互いに径の異なる球８Ｂ1１〜８Ｂ1Ｍ，８Ｂ２１〜８Ｂ２Ｍ，…，８ＢＮ１〜８ＢＮＭが配置されている。また、発光部には、単一周波数紫外レーザ７Ｂ１〜７ＢNと、このレーザ７Ｂ１〜７ＢNからの出力光をそれぞれ周波数変調する周波数変調器５Ｂ１〜５ＢNとが備えられている。緑色、赤色の表示に関しても同様である。なお、図６には、青色、緑色、赤色の各色について、画像の１ライン（＃Ｂ１，＃Ｇ１，＃Ｒ１）の３ピクセル分だけ記載している。
紫外レーザ７Ｂ，７Ｇ，７Ｒとしては、例えば、半導体励起周波数安定化３５５ｎｍＹＡＧレーザが用いられる。また、球８Ｂ，８Ｇ，８Ｒには、それぞれ、例えば、Ｅｕ等の希土類元素又は遷移金属元素等の、紫外光を吸収して青色，緑色，赤色の発光を示す蛍光体が添加されている。これ以外の、球８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの基本的な構成は、第１実施形態の球３と同じである。
なお、蛍光体を添加した微小球の作製方法については、例えば、球のサイズが制御された単分散蛍光体ドープＴｉＯ２微小球は、「Observation of whispering gallery modes in cathode luminescence in Tio2:Eu3+ microspheres」（Applied Physics Letters, 89, 061126(2006)）に記載されたような液相成膜プロセスにて作製することができる。
次に、本実施形態の画像表示装置の作動について説明する。まず、図６に示したライン＃Ｂ１での青色を表示する処理では、単一周波数紫外レーザ７Ｂ１から紫外光（周波数ν）が出力される。次に、この出力光が周波数変調器５Ｂ１により周波数変調され（ν＋δν１，ν＋δν２，ν＋δν３）、所定の周波数の光が光ファイバ２Ｂ１中を伝播し、光ファイバ２Ｂ１と球８Ｂ１１〜８Ｂ１３の間でエバネッセント結合が生成される。次に、光ファイバ２Ｂ１中を伝播する光が、その周波数に対応する共鳴周波数を有する所定の球に入り、球内でＷＧモードを生成する。次に、ＷＧモードの光が球内に添加された蛍光体を励起し、これにより球が発光する。例えば、周波数変調された光周波数がν＋δν１の場合、球８Ｂ１１が青色で発光する。このように、周波数変調された各種類の光周波数に対応する微小球を青色で発光させることができる。ライン＃Ｇ１，＃Ｒ１でも同様の処理が行われ、周波数変調された各種類の光周波数に対応する微小球を緑色，赤色で発光させることができる。以上の処理が全ラインで繰り返し行われる。
以上の動作により、第１実施形態と同様に、カラー画像が表示される。本実施形態によれば、１種類のレーザを用いて画像表示装置を構成することが可能となる。
なお、本実施形態では、発光素子として複数の紫外レーザを備えるものとしたが、例えば、他の実施形態として、紫外レーザを１つ備え、このレーザからの出力光を、周波数変調器や周波数フィルタを用いて、各色の各ラインのアドレスに割り振って画像を表示させるようにしてもよい。
［第３実施形態］
図７に示すように、本発明の第３実施形態における画像表示装置は、発光素子として、３原色分の単一周波数青色レーザを用いている。さらに、この画像表示装置は、微小球として、第１実施形態と同様の微小球と、青色光を吸収して緑色、赤色の発光を示す蛍光体が添加された微小球を用いている。これ以外の、本実施形態の画像表示装置の基本的な原理は、第１実施形態と同じである。
画像表示装置は、第１実施形態と同様に、Ｎ×Ｍのピクセルで構成されるカラー画像を表示する。青色の表示に関しては、画像表示装置には、画像のライン数であるＮ本の光ファイバ２B１〜２BNが備えられている。そして、各光ファイバ２B１〜２BNの側面に沿って、Ｍ個の互いに径の異なる球１０Ｂ1１〜１０Ｂ1Ｍ，１０Ｂ２１〜１０Ｂ２Ｍ，…，１０ＢＮ１〜１０ＢＮＭが配置されている。また、発光部には、単一周波数青色レーザ９Ｂ１〜９ＢNと、このレーザ９Ｂ１〜９ＢNからの出力光をそれぞれ周波数変調する周波数変調器５Ｂ１〜５ＢNとが備えられている。緑色、赤色の表示に関しても同様である。なお、図７には、青色、緑色、赤色の各色について、画像の１ライン（＃Ｂ１，＃Ｇ１，＃Ｒ１）の３ピクセル分だけ記載している。
緑色を表示する球１０Ｇには、青色励起で緑色の発光を示す蛍光体が添加され、赤色を表示する球１０Ｒには、青色励起で赤色の発光を示す蛍光体が添加されている。これらの蛍光体としては、例えば、有機色素では、緑ではローダミン（Rhodamine）５６０（Ｒ５６０，米国Exciton社製）、赤ではローダミン（Rhodamine）６４０（Ｒ６４０，米国Exciton社製）等が挙げられる。また、無機蛍光体としては、赤、緑のいずれについても、希土類添加（Ｅｕ２＋）βサイアロン系の蛍光体を用いることができる。なお、サイアロンは窒化ケイ素の固溶体であり、ここに光学活性なＥｕイオン（Ｅｕ２＋）を固溶させることで蛍光体が形成される。
このような蛍光体を球内に添加することによって、青色レーザの出力光により、任意の球を所定色に蛍光発光させることが可能となる。ただし、蛍光体を用いた場合、球内で形成されているＷＧモードの光が吸収を受けるので、図３に示した共鳴スペクトルの線幅が蛍光体を用いない場合に比べて大きくなるので、球のフィネスが低下し配置可能な球の個数（ピクセル個数）が若干少なくなる。
次に、本実施形態の画像表示装置の作動について説明する。まず、図７に示したライン＃Ｂ１での青色を表示する処理では、単一周波数青色レーザ９Ｂ１から青色光（周波数ν）が出力される。次に、この出力光が周波数変調器５Ｂ１により周波数変調され（ν＋δν１，ν＋δν２，ν＋δν３）、所定の周波数の光が光ファイバ２Ｂ１中を伝播し、光ファイバ２Ｂ１と球３Ｂ１１〜３Ｂ１３の間でエバネッセント結合が生成される。次に、光ファイバ２Ｂ１中を伝播する光が、その周波数に対応する共鳴周波数を有する所定の球に入り、球内でＷＧモードを生成する。そして、このＷＧモードの光が球から出ることにより球が発光する。例えば、周波数変調された光周波数がν＋δν１の場合、球１０Ｂ１１が青色で発光する。
ライン＃Ｇ１，＃Ｒ１でも同様の処理が行われ、周波数変調された各種類の光周波数に対応する微小球を緑色，赤色で発光させることができる。このとき、ライン＃Ｇ１，＃Ｒ１では、ＷＧモードの光が球内に添加された蛍光体を励起し、これにより球が緑色，赤色で発光する。以上の処理が全ラインで繰り返し行われる。
以上の動作により、第１実施形態と同様に、カラー画像が表示される。本実施形態によれば、１種類のレーザを用いて画像表示装置を構成することが可能となる。
なお、本実施形態では、発光素子として複数の青色レーザを備えるものとしたが、例えば、他の実施形態として、青色レーザを１つ備え、このレーザからの出力光を、周波数変調器や周波数フィルタを用いて、各色の各ラインのアドレスに割り振って画像を表示させるようにしてもよい。
［第４実施形態］
図８に示すように、本発明の第４実施形態における画像表示装置は、発光素子として、３元色分の単一周波数赤外レーザを用いている。さらに、この画像表示装置は、微小球として、赤外光を吸収して青色、緑色、赤色の発光を示すアップコンバージョン蛍光体を添加した微小球を用いて、非線形発光を利用して微小球を発光させる。これ以外の、本実施形態の画像表示装置の基本的な原理は、第１実施形態と同じである。
本実施形態の画像表示装置は、第１実施形態と同様に、Ｎ×Ｍのピクセルで構成されるカラー画像を表示する。画像表示装置には、画像のライン数であるＮ本の光ファイバ２Ｆ１〜２ＦNが備えられている。そして、各光ファイバ２Ｆ１〜２ＦNの側面に、３Ｍ個の球１２Ｂ１１〜１２ＢＮＭ，１２Ｇ１１〜１２ＧＮＭ，…，１２Ｒ１１〜１２ＲＮＭが配置されている。例えば、光ファイバ２Ｆ１上には、互いに径の異なる球１２Ｂ１１，１２Ｇ１１，１２Ｒ１１，１２Ｂ１２，１２Ｇ１２，１２Ｒ１２，…，１２Ｂ１Ｍ，１２Ｇ１Ｍ，１２Ｒ１Ｍのように、青・緑・赤の順に各色Ｍ個の球１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒが配列されている。
また、発光部には、Ｎ個の周波数安定化赤外レーザ１１１〜１１Nと、このレーザ１１１〜１１Nからの出力光をそれぞれ周波数変調する周波数変調器５Ｆ１〜５ＦNとが備えられている。なお、図８には、画像の１ライン（＃Ｆ１）の１ピクセル分だけ記載している。
球１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒには、それぞれ、赤外光により励起されて青色，緑色，赤色の光を発光するアップコンバージョン蛍光体が添加されている。これらのアップコンバージョン蛍光体としては、例えば、Ｙｂ３＋並びにＥｕ２＋希土類イオンを含むフッ化物ガラスを挙げることができる。
微小球１２Ｂ，１２Ｇ，１２ＲがＷＧモードを発生した場合、球内に閉じ込められる光のＱ値は、１０１０〜１０２１と非常に大きくなる。このため、球内での光エネルギーは光学的非線形効果を引き出す程度に十分大きなものとなる。よって、入力光のエネルギーに対する発光エネルギーは、高次項の影響が大きくなって非線形的に大きくなる。従って、微小球１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ内に入ったエネルギーの低い赤外光により、アップコンバージョン蛍光体が効率良く励起されて所定色の発光が生じる。ただし、アップコンバージョン蛍光体を用いた場合には、図３に示した共鳴スペクトルの線幅が蛍光体を用いない場合に比べて大きくなるので、球のフィネスが低下し配置可能な球の個数（ピクセル数）が若干少なくなる。これ以外の、球１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒの基本的な構成は、第１実施形態の球３と同じである。
次に、本実施形態の画像表示装置の作動について説明する。まず、図８に示したライン＃Ｆ１での処理では、単一周波数赤外レーザ１１Ｂ１から赤外光（周波数ν）が出力される。次に、この出力光が周波数変調器５Ｆ１により周波数変調され（ν＋δν１，ν＋δν２，ν＋δν３）、所定の周波数の光が光ファイバ２Ｆ１中を伝播し、光ファイバ２Ｆ１と球１２Ｂ１１，１２Ｇ１１，１２Ｒ１１の間でエバネッセント結合が生成される。次に、光ファイバ２Ｆ１中を伝播する光が、その周波数に対応する共鳴周波数を有する所定の球に入り、球内でＷＧモードを生成する。次に、ＷＧモードの光が球内に添加された蛍光体を励起し、これにより球が発光する。例えば、周波数変調された光の周波数がν＋δν１の場合は、球１２Ｂ１１が青色で発光する。また、例えば、周波数変調された光の周波数がν＋δν２の場合は、球１２Ｇ１２が緑色で発光する。このように、周波数変調された各種類の光周波数に対応する微小球を所定色で発光させることができる。以上の処理が全ラインで繰り返し行われる。
以上の動作により、第１実施形態と同様に、画像を表示することができる。本実施形態によれば、入手が容易で安価な赤外レーザを用いて画像表示装置を構成することが可能となる。
なお、本実施形態では、画像のライン数であるＮ個の赤外レーザを備えるものとしたが、第１実施形態と同様に、１個の赤外レーザからの出力光を、周波数変調器や周波数フィルタを用いて各ラインのアドレスに振り分けるものとしてもよい。
［第５実施形態］
図９に示すように、本発明の第５実施形態における画像表示装置は、発光素子として、赤色レーザを用いる。また、画像表示装置は、青色・緑色の微小球として、第４実施形態と同様にアップコンバージョン蛍光体を添加した微小球を用い、赤色の微小球として、第１実施形態と同様に蛍光体を添加しない微小球を用いる。これ以外の、本実施形態の画像表示装置の基本的な原理は、第１実施形態と同じである。
本実施形態の画像表示装置は、第１実施形態と同様に、Ｎ×Ｍのピクセルで構成されるカラー画像を表示する。画像表示装置には、第４実施形態と同様に、画像のライン数であるＮ本の光ファイバ２Ｆ１〜２ＦNが備えられている。そして、各光ファイバ２Ｆ１〜２ＦNの側面に、３Ｍ個の球１４Ｂ１１〜１４ＢＮＭ，１４Ｇ１１〜１４ＧＮＭ，…，３Ｒ１１〜３ＲＮＭが配置されている。例えば、光ファイバ２Ｆ１上には、互いに径の異なる球１４Ｂ１１，１４Ｇ１１，３Ｒ１１，１４Ｂ１２，１４Ｇ１２，３Ｒ１２，…，１４Ｂ１Ｍ，１４Ｇ１Ｍ，３Ｒ１Ｍのように、青・緑・赤の順に各色Ｍ個の球１４Ｂ，１４Ｇ，３Ｒが配列されている。
また、発光部には、Ｎ個の周波数安定化赤色レーザ１３１〜１３Nと、このレーザ１３１〜１３Nからの出力光をそれぞれ周波数変調する周波数変調器５Ｆ１〜５ＦNとが備えられている。なお、図９には、画像の１ライン（＃Ｆ１）の１ピクセル分だけ記載している。
球１４Ｂ，１４Ｇには、それぞれ、赤色光により励起されて青色，緑色の光を発光するアップコンバージョン蛍光体が添加されている。これらのアップコンバージョン蛍光体としては、例えば、Ｙｂ３＋並びにＥｕ２＋希土類イオンを含むフッ化物ガラスを挙げることができる。第４実施形態と同様に、微小球１４Ｂ，１４ＧがＷＧモードを発生した場合、入力光のエネルギーに対する発光のエネルギーが非線形的に大きくなる。よって、微小球１４Ｂ，１４Ｇ内に入ったエネルギーの低い赤色光により、アップコンバージョン蛍光体が効率良く励起されて所定色の発光が生じる。これ以外の球１４Ｂ，１４Ｇ，３Ｒの基本的な構成は、第１実施形態の球３と同じである。
次に、本実施形態の画像表示装置の作動について説明する。まず、図９に示したライン＃Ｆ１での処理では、単一周波数赤色レーザ１３Ｂ１から赤色光（周波数ν）が出力される。次に、この出力光が周波数変調器５Ｆ１により周波数変調され（ν＋δν１，ν＋δν２，ν＋δν３）、所定の周波数の光が光ファイバ２Ｆ１中を伝播し、光ファイバ２Ｆ１と球１４Ｂ１１，１４Ｇ１１，３Ｒ１１の間でエバネッセント結合が生成される。次に、光ファイバ２Ｆ１中を伝播する光が、その周波数に対応する共鳴周波数を有する所定の球に入り、球内でＷＧモードを生成する。
このとき、例えば、周波数変調された光の周波数がν＋δν１の場合は、球１４Ｂ１１内でＷＧモードが生成される。そして、このＷＧモードの光が球１４Ｂ１１内に添加された蛍光体を励起し、これにより球１４Ｂ１１が青色で発光する。また、例えば、周波数変調された光の周波数がν＋δν３の場合は、球３Ｒ１１内でＷＧモードが生成される。そして、このＷＧモードの光が球３Ｒ１１から出ることにより、球３Ｒ１１が赤色で発光する。このように、周波数変調された各種類の光周波数に対応する微小球を所定色で発光させることができる。以上の処理が全ラインで繰り返し行われる。
以上の動作により、第１実施形態と同様に、画像を表示することができる。本実施形態のよれば、入手が容易で安価な赤色レーザを用いて画像表示装置を構成することが可能となる。
なお、本実施形態では、画像のライン数であるＮ個の赤色レーザを備えるものとしたが、第１実施形態と同様に、１個の赤色レーザからの出力光を、周波数変調器や周波数フィルタを用いて各ラインのアドレスに振り分けるものとしてもよい。
本発明の第１実施形態における画像表示装置の原理を示す説明図。 図１の画像表示装置のエバネッセント結合とＷＧモードとを示す説明図。 図１の画像表示装置の周波数差と光強度との関係を示すグラフ。 図１の画像表示装置の球のサイズパラメータと散乱光エネルギーとの関係を示すグラフ。 本発明の第１実施形態における画像表示装置の構成図。 本発明の第２実施形態における画像表示装置の構成図。 本発明の第３実施形態における画像表示装置の構成図。 本発明の第４実施形態における画像表示装置の原理を示す説明図。 本発明の第５実施形態における画像表示装置の原理を示す説明図。
符号の説明
１…発光部、２…光ファイバ、３…球、４…レーザ（発光素子）、５…周波数変調器、６…周波数フィルタ、７，９，１１，１３…レーザ（発光素子）、８，１０，１２，１４…球。

Claims (9)

  1. 発光部と、
    前記発光部から出力される光を伝播する光ファイバと、
    前記光ファイバとエバネッセント結合を生じるように配置された、光透過性を有する複数の球とを備え、
    前記複数の球は、それぞれ、前記エバネッセント結合により該光ファイバから各球へ入った光が内部に閉じ込められる光モードを生成し、且つ該光モードを生成するための所定の共鳴周波数が各球について互いに異なるように形成され、
    前記複数の球から出る光によって画像を表示することを特徴とする画像表示装置。
  2. 請求項１記載の画像表示装置において、
    前記複数の球は、それぞれ、径が互いに異なるように形成されることを特徴とする画像表示装置。
  3. 請求項１記載の画像表示装置において、
    前記複数の球は、それぞれ、屈折率が互いに異なるように形成されることを特徴とする画像表示装置。
  4. 請求項１〜３のうちいずれか記載の画像表示装置において、
    前記発光部は、所定の周波数の光を出力する発光素子と、該発光素子から出力された光を、前記複数の球の所定の共鳴周波数に対応する周波数に変調する周波数変調器とから構成され、
    前記複数の球のうちの前記所定の共鳴周波数を有する球から光を出させることを特徴とする画像表示装置。
  5. 請求項１〜４のうちいずれか記載の画像表示装置において、
    前記発光部は、赤色、青色、緑色の光をそれぞれ出力する発光素子を有し、
    前記複数の球は、前記発光部から伝播した赤色の光を出す複数の赤色球と、前記発光部から伝播した青色の光を出す複数の青色球と、前記発光部から伝播した緑色の光を出す複数の緑色球に分類され、
    前記赤色球、青色球、緑色球から出る光によってカラー画像を表示することを特徴とする画像表示装置。
  6. 請求項１〜４のうちいずれか記載の画像表示装置において、
    前記発光部は、赤色、青色及び緑色以外の光を出力する発光素子を有し、
    前記複数の球は、前記発光部から伝播した光を吸収して所定色の発光を示す蛍光体が添加されており、該発光により画像が表示されることを特徴とする画像表示装置。
  7. 請求項６記載の画像表示装置において、
    前記複数の球は、赤色の発光を示す蛍光体が添加された複数の赤色球と、青色の発光を示す蛍光体が添加された複数の青色球と、緑色の発光を示す蛍光体が添加された複数の緑色球に分類され、
    前記赤色球、青色球、緑色球から出る光によってカラー画像を表示することを特徴とする画像表示装置。
  8. 請求項６又は７記載の画像表示装置において、
    前記発光素子は、赤外レーザであり、
    前記蛍光体は、励起周波数より高い周波数で発光するアップコンバージョン蛍光体であることを特徴とする画像表示装置。
  9. 請求項１〜４のうちいずれか記載の画像表示装置において、
    前記発光部は、赤色、青色又は緑色のうちの所定色の光を出力する発光素子を有し、
    前記複数の球は、前記発光部から伝播した光を出力する複数の所定色の球と、該発光部から伝播した光を吸収して、赤色、青色又は緑色のうち前記所定色以外の色の発光を示す蛍光体が添加された複数の所定色以外の球とに分類され、
    前記所定色及び所定色以外の球から出る光によってカラー画像を表示することを特徴とする画像表示装置。
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