JPH02204772A

JPH02204772A - 平面型ディスプレー

Info

Publication number: JPH02204772A
Application number: JP2261589A
Authority: JP
Inventors: Jun Tokumitsu; 徳光　純
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 1990-08-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、光導波路を利用した平面型ｆ’イスプレーに
関し、特に、より明るく、′ＮＩＩ細な画素を構成でき
る千面凰ディスプレーに関する。

〔従来の技術〕

平面型のディスプレーは、その体積が小さく。

設置や携帯が簡便となるため、盛んに開発が行われてい
る。この様なディスプレーとして、光導波路を用いた平
面型ディスプレーが既に提案されている。

第７図は光導波路を用いた平面型ディスプレーの平面図
である。図において、１１１は基板ガラス、１１２．・
・・１１２．は光導波路である。１１３は光源であシ、
１１４．・・・１１４８は光に調器である。

１１５、・・・１１５．はくしを′成極でめり、光導波
路１１２□・・・１１２．に直交している。１１６はラ
インセレクタであシ、くし型電極１１５．・・・１１５
．を駆動する。

第７図に示した平面型ディスプレーにおいては、基板１
１１上に光導波路１１２．・・・１１２．が設けられて
おり、光源１１３から発光された光束は１画像信号に応
じて駆動される光変調器１１４Ｋ・・・１１４．にょっ
て変調されて光導波路１１２．・・・１１２．内を伝搬
して行く。光導波路１１２Ｉ・・・１１２８とくし型電
極１１５１・・・１１５．が交わる点がディスプレーの
各画素となる。くし型電極１１５．・・・１１５．に電
圧が印加されているか、いないかに応じて光導波路１１
２□・・・１１２．内を伝搬する光束は各画素の点で出
射するかしないかが決まる。ラインセレクタ１１６ｉ（
し型電極１１５．・・・１１５．を順番に１つずつオン
状態にしていき、くし型電極１１５．の次はくし型電極
１１５１の駆動へ戻るというような駆動法を順次行なう
。このため、画像は１行毎に表示され、すべてのくし型
電極が駆動されたところで一枚の画像の表示が終わるこ
とになる。尚、ラインセレクタ１１６の動作と光変調器
１１４Ｋ・・・１１４．の動作とは、所望の表示が実現
する様に同期せしめられている。

第８図は第７図に示した平面型ディスプレーのＡ−Ｂ間
断面図であり、光束の伝搬方向に沿った断面を示しであ
る。図において、１２０はクラッドであり、１２１はコ
アである。クララ）’１２０．コア１２１はガラスを用
いることができ、クラッド１２０の屈折率はコア１２１
の屈折率より低い、ま九。

１２２は屈折率変化材料層であり、液晶等の電界により
屈折率が変化する材料が用いられる。屈折率変化材料層
１２２の屈折率は適轟な電界が存在する時のみコア１２
１の屈折率より高くなる。

１２３は拡散板であり片方の表面（外表面）が出射光束
を拡散するようになっており、もう片方の面（屈折率変
化材料層１２２側の面）にはくし型電極１１５□・・・
１１５．が形成されている。第８図にはその中の特定の
２つのくし型電極１１５．，１１５４を表示しである。

１２５は伝搬光束であり、くし型電極１１５．・・・１
１５□の下を通るときに、該くし型電極のオン、オフの
状態により透過光束１２６ないしは出射光束１２７とな
る。

オフ状態においてはクラッド１２０．コア１２１゜屈折
率変化材料層１２２の中ではコア１２１の屈折率が最も
高く、これらは光導波路を形成している。

す々わち、屈折率変化材料層１２２がクラッドとして機
能し、光束はコア１２１の中を全反射しながら閉じ込め
られて伝搬して行く。とれに対して、拡散板１２３に設
けられたくし型電極１１５．・・・１１５゜に電圧が印
加される（オン状助と屈折率変化材料層１２２の屈折率
は局所的にコア１２１の屈折率より高くなり、全反射の
条件が崩れて、光束はそこより拡散板１２３を通りて外
に出射する。

第８図において伝搬光束１２５はくし型電極１１５、．
１１５４に電圧が印加されていないときＫは透過光束１
２６となり更に伝搬して行き、また図示のようにくし型
電極１１５．に電界が印加されたときにはその部分より
出射光束１２７となり拡散板１２３で散乱されることに
なり、その画素が明るく表示される。

〔発明が解決しようとしている課題〕

上記従来例では、光束伝搬方向と直交する方向の分解能
は光導波路を形成するピッチで決まり、３０μｍないし
、４０μｍの分解能は容易に実現できる。しかしながら
、光束伝搬方向の分解能を高くしようとして、くシ型電
極を細かいピッチで配置して、より微細な画素を構成し
ようとすると、光束の取り出し効率が低下し、暗いディ
スプレーとなりてしまうという問題がありた。

これは光導波路への光束の結合を容易にするために、コ
ア１２１は数十μｍと厚く、且つマルチモードであり、
また、コアの屈折率が一様であるため、コア中を伝搬す
る光束が屈折率変化材料層の界面に到達するに必要な伝
搬距離がかなり長くなるためである。そのため、光束伝
搬方向に微細な画素を構成して、分解能を高めることは
難しかった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記従来の平面型ディスプレーの課題を解決
するために為されたものであり。

クラッドの少なくとも一部が屈折率可変材料で構成され
た光導波路を有し、各画素位置において、該屈折率可変
材料の屈折率を変化させることにより、前記光導波路を
伝搬する光束の外部への出射を制御して、各画素の明暗
表示を行う平面型ディスグレーにおいて。

前記光導波路のコアの屈折率は、前記屈折率可変材料に
近い側がより大きいような分布を持つζとを特徴とする
平面型ディスプレーにより解決しようとするものである
。

本発明は上述の様に光導波路のコアの屈折率に分布をつ
け、屈折率可変材料クラッド部との界面妃近い方の屈折
率をより大きくし、伝搬光束の光路を曲げて、光束の大
半が屈折率可変材料クラッド部とコアとの界面に到達す
るに必要な伝搬方向の距離を短くできるようにし、それ
Ｋより、明るく、且つ高画素密度のディスグレーを実現
するものである。

〔実施例〕

第１図は本発明の傾施例を示す図である。ディスプレー
全体の構成としては第７図に示すものと同様であり、第
１図では第８図と同様に光導波路の光束伝搬方向に沿り
た断面図で示しである。

第１図において、１は基板がラス、２はクラッド、３は
コアでありそれぞれ、ガラスが用いられる。４は屈折率
変化材料層であり、液晶の他ＰＬＺＴ。

ＬｉＮｂＯ３，、ＢＳＯ等の電気光学材料が用いられる
。また屈折率変化は熱、磁気等で生じさせても良い。５
はくし型電極、６は拡散板であり、片方の面は拡散面で
あシ、もう片方の面上にはくし凰電極５が置かれている
。８、・・・８．は点Ａから出た伝搬光束を、９は点Ｂ
から出た伝搬光束を示す。１０は光導波路の屈折率分布
である。

基板ガラス１上のクラッド２、コア３及び屈折率変化材
料層４で光導波路が形成されておシ、光束はコア３の中
に閉じ込められて伝搬して行く。

くし型電極５に電界が印加されオン状態になると、この
部分の屈折率変化材料層４の屈折率はコア３の屈折率よ
シ高くなり、伝搬光束は拡散板６の中へ出射して行き、
拡散板表面で散乱出射される。コア３は屈折率分布を有
しておシ、屈折率変化材料層４に近い側の屈折率がクラ
ッド２に近い側よシも高い。

このような分布屈折率型導波路は例えばイオン交換の手
法で作製することができる。次にイオン交換の手法によ
シ、上述の分布屈折率型導波路を作製する方法の例を示
す。

第２図はイオン交換用基板の平面図である。１１は基板
である。基板１１には各部材を支持する部分と光導波路
のクラッド部とが含まれる。１２はマスクであシ、フォ
トリングラフイーによ）金属をノ９ターニングしたもの
である。マスク１２は光導波路のコアとなる部分を残し
て基板１１の表面を覆っている。

第３図はイオン交換装置の正面図である。１３は液体槽
であり、１４は溶融塩である。第２図に示したマスク１
２の形成された基板１１は溶融塩１４の中に漬けられて
いる。１５はヒーターである。

基材１１はナトリウムあるいはカリウムを含んだガラス
であり、一方液体槽１３の中の溶融塩１４はリチウム、
タリウム、銀等のイオンを含むものである。ヒーター１
５で液体槽１３、更には溶融塩１４、基板１１を加熱す
ると基板１１のナトリウムあるいはカリクムイオンが溶
融塩１４のリチウム、銀イオンと交換されて行く。イオ
ン交換は、徐々に進み数時間後には基板１１０表面付近
が最も多くイオン交換が進み、深くなるに従りてイオン
は交換されていないという分布が形成される。イオン交
換量が大きいほどその部分の屈折率は高くなるため表面
付近の屈折率が高く、厚み方向に下に行くに従って屈折
率が低くなるという所望の屈折率分布を持ったコア３が
得られる。

その他分布屈折率型光導波路の作製方法としては、ＣＶ
Ｄ法により順次屈折率を変化させながら、ガラスを堆積
する方法等がある。

上述の様にして、作興された屈折率分布のコアを持つ第
１図の平面ディスプレーにおいて、点Ａから出た伝搬光
束８ビ・・８４は屈折率の高い側に曲げられるため、第
１図のような屈折率変化材料層４の方向に曲かつ九光路
を取る。また点Ｂから出た伝搬光束９も又、第１図のよ
うな屈折率変化材料層４の方向に曲がりた光路をとる。

点大１点Ｂの位置するＺ＝Ｑの面が１画素の始まシとす
ると、この面に存在する光束が２がいくらのところで全
て一度はコア３と屈折率変化材料層４との界面に衝突す
るかによって、光束伝搬方向の分解能が決まることにな
る。

屈折率分布１０は、前述のイオン交換法の場合に良くあ
るように曲線部が２乗分布でありクラッド２とコア３は
境界で同じ屈折率になるとする。

このとき第１図に示すように点＾から出た光束は全て同
一の面Ｚ＝Ｓのところで屈折率変化材料４にぶつかる。

点Ｂから出る光束はＺ軸に平行な成にぶつかる。点Ａと
点Ｂの間から出る光束け２＝０からｚ＝Ｓまでの間のど
こかで屈折率変化材料４にぶつかることになる。以上の
ことけｘＺ平面内の２次元的な解析において成り立つこ
とであるが本発明の効果を示すために概略の数値を与え
るのには充分である。ｚ＝Ｓの間までにはｚ＝０のとこ
ろにあった光束は一度は屈折率変化材料層４にぶつかる
訳であるから、Ｓを光束伝搬方向の画素サイズとするこ
とは妥当であろう。実際に数値を求めてみると以下のよ
うになる。

コアの屈折率、（、）を２乗分布とすると、下記式が成
立する。

Ｄ（Ｘ）−ｎＯ（１−ムｘ２）（ｎ６．Ａは定数）各部分の屈折率の値は屈折率変化材料４が液晶であると
してオフ状態で１．４オン状態でｔ、ＳＳとなるとし、
コアはｘ　＝　Ｏの部分で１．５．ｚ＝ｄの部分で１．
４クラツドは１．４であるとする。このときｎ、＝１．
５．Ａの値はｄの値に応じて変化することになる。

（１）式のような屈折率分布と示す媒質中での光線の通
る径路は良く知られており、例えばＸ　”　Ｘ　１の位
置にあｌ）　ｘ、／の傾きを持った光線は２軸方向に２
離れたところでは次式で示されるＸ　”’　Ｘ　ｌの位
置にあって！！′の傾きを持つ。

距離ＳはｘＩ＝０の位置から出た光線がｘ２＝ｏを通る
ときの２の値であるから、（２）式より従って（１弐においてｘ　＝　ｄのところでｎ（ｘ）＝１．４
という条件をおくと従って、（４）　＃　（５）式よりＳ＝８．６ｄ　　　　　　　　　　　（６）（６）式よ
シ、画素サイズＳとコア厚ｄとは傾き８．６の直線関係
にあることがわかる。

第４図は（６）式のコア厚ｄと画素サイズＳの関係１・
８を示す図である。

本発明の効果をよシ明確に示すために、従来の、コア部
が屈折率分布を持たない−様な場合について画素サイズ
を求めてみる。

第５図は−様な屈折率のコアの場合の解析を説明するた
めの図である。

２１はクラッド、２２はコア、２３は屈折率変化材料層
である。簡単のために解析に必要な部分のみを図示して
いる。他の部分は第１図に示したものと同様である。ク
ラッド２１、コア２２及び屈折率変化材料層２３は光導
波路を形成している。

コア２２の屈折率は−様な分布を持っており、いわゆる
スラップインデックス型の光導波路となっている。２４
ｓ、２４ｔは点Ｃから出射した光束、２５は点りから出
射し次光束を示す。２６は光導波路の屈折率分布である
。

ｚ＝０の面から一つの画素が始まるとし、この面にある
光束の内、大半がコア２２と屈折率変化材料層２３の界
面に一度はぶつかるために必要な伝搬距離を求めてみる
。光導波路の屈折率分布２６は第１図の屈折率分布星光
導波路の屈折率分布１０と近い値を持つものとする。す
なわちクラッドの屈折率は１．４、コアの屈折率は１．
５、オフ状態での屈折率変化材料層２３の屈折率は１，
４である。オン状態においては屈折率変化材料層２３の
屈折率は１．５５にな）、コア２２との間の全反射条件
が崩れ、伝搬光束は外部へ出射するものとする。

屈折率がそれぞれ１．４，１．５である材料間の境界で
の臨界角は６９°である。光導波路内を伝搬する光束は
界面に対してこれよシ大きな入射角を持つ。しかし、入
射角が９０’に近い光束は界面へぶつかる回数が少なく
光導波路内を伝搬して行くので、外部へ出射させること
が困難である。そこで、入射角が８０°より小さい光束
を取り出すことを考える。例えば、第５図においてθ＝
８００とすると点Ｃを出射した光束２４．はコア２２と
クラッド２１の境界で反射した後、Ｚ＝２１の面で屈折
率変化材料層２３にぶつかる。

しかし、これより大きな入射角を持って点Ｃを出射した
光束２４．はＺ＝２１の面まででは屈折率変化材料層２
３にぶつからず、一画素のサイズを２ｔとしてその上に
第１図の様にくし型電極が配置されているとすると、こ
の画素からは取り出せず、そのため、出射光量が低下し
、ディスプレーとしては暗いものになってしまう。

一方、点りからθ＝８００の角度で出射した光束２５は
２＝１の面で屈折率変化材料層２３にぶつかる。点Ｃか
ら点りの間で８０ｃ′より小さな角度で出射した光束は
ｚ＝２ｔの面までのどこかで屈折率変化材料層２３にぶ
つかる。従って２ｔを画素サイズとすることは妥当であ
ろう。

＃ｃ５図よシ分るようにｔ＝ｄ−〇　　　　　　　　　　（７）である。θ＝８
０’とすると２ｔ＝１１．３　ｄ　　　　　　　　　　（８）である
。つまり１画素サイズ２ｔはコア厚ｄと傾き１１，３の
直線関係となることがわかる。

第６図は前述の（８）式で表わされる、ステップインデ
ックス型光導波路の場合のコア厚ｄと画素サイズ２ｔの
関係３１を示す図である。

第４図と第６図とを比較して、あるいは（６）　、　（
８）式を比較して明らかなように、本発明の屈折率分布
を持った光導波路を使用した場合はステップインデック
ス屋の光導波路を用いた場合に比べて同じコア厚とした
時、約２４％の画素サイズの微細化が見られる。例えば
、コアの厚みを２０μｍとしたときＫは、第６図からス
テップインデックス型の光導波路の場合の画素サイズが
約２３０μｍであるのに対して、２乗分布に従う屈折率
分布を有する光導波路の場合は第４図から１７０μｍと
なり、よシ精細な画素を構成できる。

しかもステップインデックスをの光導波路の場合は主要
な成分は低次モード、すなわち界面への入射角の大きい
ものであシ、このような成分の多くは一画素内で一度も
屈折率変化材料層にぶつかることなく、先へと伝搬して
いりてしまり。これに対し、分布屈折率型の光導波路の
場合は、はとんど全ての光束が先に定義した一画素の中
で屈折率変化材料層にぶつかることになシ、このため。

実際は更に分布屈折率型の光導波路の方が有利である。

第１図における説明からも分るように、画素サイズが小
さくなりたのはコアの屈折率が屈折率変化材料層に近い
側が高く、光束がそちらの方へ曲げられたためであシ、
屈折率分布の形としては、必ずしも２乗分布でなくとも
良い。例えば、一般のべき乗の分布でありても良く、屈
折率変化材料層に近い側の屈折率が高く作製上容易なも
のであれば良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明においては平面型ディスプレ
ーに用いる光導波路を分布屈折率型のものとし、コアの
屈折率を屈折率可変材料クラッド部に近い側をよシ高い
屈折率となるような屈折率分布としたことにより、伝搬
光束は屈折率可変材料クラッド部の方向に曲げられ、そ
の結果、光束伝搬方向の画素サイズを小さくでき、高画
素密度のディスプレーを実現でき、更に光束の外部への
取り出し効率が上がシ、明るいディスプレーが得られる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の平面ディスプレー断面図。第２図はイオン交換用基板の平面図。第３図はイオン交換装置の正面図。第４図は本発明の平面ディスグレーのコア厚と画素サイ
ズの関係を示す図。第５図は従来の−様な屈折率のコアの場合の解析を説明
するための図。第６図は第５図の場合のコア厚と画素サイズの関係を示
す図。第７図は平面型ディスプレーの平面図。第８図は第７図の平面ディスプレーの断面図。１・・・がラス基板、２・・・クラッド、３・・・コア
、４・・・屈折率変化材料層、５・・・くし型電極、６
・・・拡散板、１０・・・光導波路の屈折率分布、１１
・・・基板、１２・・・マスク、１４・・・溶融塩、１
８・・・コア厚ｄと画素サイズＳの関係を示す直線、２
１・・・クラッド、２２・・・コア、２３・・・屈折率
変化材料層、２６・・・光導波路の屈折率分布、３１・
・・コア厚ｄと画素サイズ２Ｌの関係を示す直線、１１
２．・・・１１２．・・・光導波路、１１３・・・光源
、１１４、・・・１１４．・・・光変調器、１１５Ｉ・
・１１５．・・・くし型電極、１２０・・・クラッド、
１２１・・・コア、１２２・・・屈折率変化材料層、１
２３・・・拡散板

Claims

【特許請求の範囲】クラッドの少なくとも一部が屈折率可変材料で構成され
た光導波路を有し、各画素位置において、該屈折率可変
材料の屈折率を変化させることにより、前記光導波路を
伝搬する光束の外部への出射を制御して、各画素の明暗
表示を行う平面型ディスプレーにおいて、前記光導波路のコアの屈折率は、前記屈折率可変材料に
近い側がより大きいような分布を持つことを特徴とする
平面型ディスプレー。