KR20040018469A - 광변조 소자, 표시 소자 및 노광 소자 - Google Patents

광변조 소자, 표시 소자 및 노광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 도파로나 도광판을 사용한 표시 방식을 사용하지 않고, 저비용으로 콘트라스트 저하를 방지하면서, 에너지 효율을 높인 광변조 소자, 및 고품위인 화상 표시를 행할 수 있는 표시 소자, 및 노광 처리를 행할 수 있는 노광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에서, 상기 광변조 소자는, 광변조 소자에 도입된 면상의 입사광 중 적어도 일부는 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면(전반사면)(22)에서 전반사하고, 또한 입사광 도입측의 반대측으로부터는 입사광이 실질적으로 출사하지 않는 특성을 갖는 전반사 광학부재(2); 및 전반사 광학부재(2)의 전반사면(22)측에 배설되는 동시에 전반사면(22)으로부터 입사광을 선택적으로 결합하여 취출하는 광결합 요소(6)로 되어 있다.

Description

광변조 소자, 표시 소자 및 노광 소자{OPTICAL MODULATING DEVICE, DISPLAY, AND EXPOSURE DEVICE}
입사광의 진폭(강도), 위상 또는 진행 방향 등을 제어하여, 화상이나 패턴화된 데이터 등을 처리/표시하는 것으로 광변조 소자가 있다. 광변조 소자에서는, 광을 투과시키는 물질의 굴절율이 그 물질에 인가되는 외장(external field)에 따라 변화되며, 최종적으로 상기 물질을 투과 또는 반사하는 광의 강도는 굴절, 회절, 흡수 또는 산란 등의 광학 현상을 통하여 제어된다. 이 광변조 소자의 예로는 액정의 전기 광학 효과를 이용한 액정 광변조 소자를 들 수 있다. 상기 액정 광변조 소자는 박형의 평면 표시 소자인 액정 표시 장치에 적합하게 사용되고 있다. 또한, 자발광형의 박형 평면 표시 소자로는 플라즈마 표시 장치, FED(필드에미션디스플레이) 등이 알려져 있다. 액정 광변조 소자는 박형의 평면 표시 소자인 액정 표시 장치에 적합하게 사용되고 있다.
액정 표시 장치의 대표예로는, 1쌍의 도전성 투명막을 형성한 기판간에, 기판과 평행하고 또한 양 기판간에 90°트위스트 상태로 배향한 네마틱 액정을 넣어밀봉하고, 이것을 직교한 편광판 사이에 삽입한 구조를 갖는다. 이 액정 표시 장치에 의한 표시는 도전성 투명막에 전압을 인가함으로써 액정 분자의 장축 방향이 기판에 대해서 수직으로 배향되어, 백라이트로부터의 광의 투과율이 변화하는 것을 이용하여 행하여진다. 양호한 동영상 대응성을 가지게 하기 위해서는 TFT(박막 트랜지스터)를 사용한 액티브 매트릭스 액정 패널이 사용된다.
플라즈마 표시 장치는 네온, 베릴륨, 크세논 등의 희가스를 봉입한 2매의 유리판 사이에, 방전 전극에 상당하는 규칙적으로 배열된 직교 방향의 전극을 다수 배치하고, 각각의 대향 전극의 교점부를 단위 화소로 한 구조를 갖는다.
이 플라즈마 표시 장치에 의한 표시는 화상 정보에 의거하여, 각각의 교점부를 특정하는 대향 전극에 선택적으로 전압을 인가함으로써, 교점부를 방전 발광시키고, 발생한 자외선에 의해 형광체를 여기 발광시켜서 행하여진다.
FED는 미소 간격을 통하여 대향 배치된 한쌍의 패널과, 이들 패널을 밀봉하는 주위부로 된 평판상의 표시관 구조를 갖는다. 표시면측의 패널의 내면에는 형광막이 설치되며, 배면 패널상에는 개개의 단위 발광 영역마다 전계 방출 음극이 배열된다. 대표적인 전계 방출 음극은 미소 사이즈의 에미터 팁(emitter tips)이라고 하는 추상 돌기상의 전계 방출형 마이크로 음극을 갖고 있다.
이 FED에 의한 표시는 에미터 팁을 사용하여 전자를 취출하고, 이것을 형광체에 가속 조사함으로써, 형광체를 여기 시켜서 행하여진다.
그런데, 상술한 종래의 평면 표시 소자에서는, 우선, 액정 표시 장치에서는 백라이트로부터의 광을 편광판, 투명 전극, 컬러 필터의 다수층에 투과시키기 때문에, 광이용 효율이 저하하는 문제가 있다. 또한 액정 특유의 시야각 의존에 의한 화질 열화, 저속 응답에 의한 동영상 화질의 열화, 및 TFT에 의한 대형 표시에서의 비용이 문제이다. 또한, 플라즈마 표시 장치에서는 화소마다 방전용의 격벽 형성을 행하기 때문에, 해상도가 높으면 고효율로 고휘도를 얻기가 곤란하고, 구동 전압도 높기 때문에 비용이 높은 결점이 있다. 또한, FED에서는 방전을 고효율로 안정화시키기 위해서, 패널내를 초고진공으로 할 필요가 있어, 플라즈마 표시 장치와 마찬가지로 제조 비용이 높아지고, 또한, 전계 방출한 전자를 가속하여 형광체에 조사하기 위해, 고전압이 필요로 하는 단점도 있었다.
이러한 제반 문제를 해소하기 위한 것으로서, 근년, 전기 기계 동작에 의해 가요 박막을 변위시키고, 이것에 의해 광원으로부터의 광을 광변조하여 화상 표시를 행하는 평면 표시 소자가 개발되어 있다. 전기 기계 동작으로는, 전압 인가에 의한 압전 효과를 이용한 것, 전류 인가에 의한 전자기력을 이용한 것 등 각종의 방식이 있지만, 특히 정전기력을 이용한 것은 광변조를 위한 가요 박막의 변위량이 1㎛정도이면, 저전압저소비 전력으로 수 ㎲ 이하의 고속 구동이 가능하다. 또한, 변위의 전압 의존성에서 히스테리시스 특성을 갖기 때문에, 2차원 어레이 구성에서는 패시브 매트릭스 구동이 고콘트라스트로 가능하고, TFT 등의 액티브 소자가 불필요하여 대면적의 평면 표시 소자를 저비용으로 제조할 수 있다. 이러한 종류의 평면 표시 소자의 예로는 하기와 같은 문헌에 기재되어 있는 도광판 방식의 것을 들 수 있다.
· Large-Area Micromechanical Display IDRC 1997, p230~p233
· 미국특허 제5,771,321호 명세서
· 특표 2000-505911호 공보
도 29는 도광판 방식의 평면 표시 소자(80)의 일부 단면도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 도광판(또는 도파로)(82)의 편면의 한쪽의 측단부에 프리즘(84)을 광학적으로 접속하고, 이 프리즘(84)을 통해서 광원(백색광원, LED, 레이저 광원 등)(86)으로부터의 광을 도입하고, 도광판(82)내에서 전반사에 의해 도광시키고 있다. 또한, 도광판(82)의 표면에는 복수의 가요 박막(88)을 이반접촉 가능하게 설치하고 있고, 이들 가요 박막(88)과 도광판(82) 표면에 각각 전극층(89)을 형성시키고 있다. 전극층(89)에 구동 전압이 인가된 가요 박막(88)은 도광판(82) 표면에 접촉하여, 도광판(82) 표면의 전반사 조건이 붕괴되어 도광판(82)으로부터 광이 취출된다. 한편, 구동 전압이 인가되지 않은 가요 박막(88)은 도광판(82) 표면으로부터 이반하여 광은 출사되지 않는다. 이와 같이 하여, 각 가요 박막(88)의 전극층(89)에 구동 전압을 선택적으로 인가함으로써 도광판(82) 표면에 화상 표시가 행하여진다.
또한, 다른 평면 표시 소자로서, 하기와 같은 문헌에 기재된 것이 있다.
Waveguide Panel Display Using Electromechanical Spatial Modulators, 1998 SID International Symposium Digest of Technical Papers, p.1022-p.1025.
상기 문헌의 평면 표시 소자의 구성은 도 30에 나타내는 바와 같이, 전면 유리(91) 위에 평행한 복수의 도광로(92)를 병설하고, 그 일단측에는 마이크로 렌즈(93)를 가진 도광재(94)를 통하여 LED(light-emitting diode) 어레이(95)를 접속하고 있다. LED 어레이(95)는 복수의 발광부를 일차원으로 배열한 것으로써, 그 발광부의 하나하나가 각 도광로(92) 각각에 대응하고 있다. 도광로(92) 위에는, 간극을 갖고 평행한 복수의 가요 박막(광스윗치)(96)을, 도광로(92)에 직교하는 방향으로 병설하고 있다. 가요 박막(96) 위에는 일부분만을 가요 박막(96)에 접촉시킨 후면 유리(97)을 설치하고 있고, 후면 유리(97)는 이 가요 박막(96)을 변위 가능하게 지지하고 있다.
이와 같이 구성된 평면 표시 소자(90)는 도 31에 나타내는 바와 같이, 소정의 가요 박막(96)상의 전극에 전압이 인가되면, 정전기 응력에 의해 가요 박막(96)이 도광로(92)측에 접근하는 방향으로 변위한다. 한편, LED 어레이(95)는 화상 신호에 의하여 이것과 동기(同期)하여 발광한다. 그러면, 도광로(92)내를 전반사하면서 진행된 광이 가요 박막(96)내에 도입되어, 가요 박막(96)내에 설치되어 있는 미러(98)로 반사되어, 도광로(92)에 대략 수직인 방향으로 다시 입사되게 된다. 도광로(92)에 대략 수직 방향으로 입사된 광은 전반사 조건을 만족하는 입사 각도를 유지하지 않아서, 도광로(92)를 통과하여 전면 유리(91)측으로부터 출사되게 된다.
이 평면 표시 소자(90)에 의하면, 정전기 응력에 의해서 가요 박막(96)을 변위시키기 때문에, 가요 박막(96)의 동작을 고속 추종시킬 수 있는 동시에, 액정 표시 장치와 같이 광을 다수층에 투과하지 않고, 또한, 플라즈마 표시 장치와 같이 방전부의 격벽 형성이나 고압 구동 회로도 불필요하게 되므로, 고속으로 염가의 평면 표시 소자의 실현이 가능하게 된다.
그러나, 상술의 광도파로 타입의 평면 표시 소자(80,90)에서는, 입사광의 도입 방법이 도광판의 편면측 단부에 접속된 프리즘을 통해서 도입하는, 혹은 도광판/도파로의 단면측으로부터의 도입 방식으로 되어 있다. 그런데, 박형 평판상의 도광판/도파로는 그 단면의 입사 개구 면적이 좁고, 입사광과의 결합 효율이 나쁘게 되는 경향이 있다. 또한, 도광판/도파로는 더욱 박형화 대면적화가 요망되고 있어, 단면의 입사 개구 면적은 점점 좁아지는 경향이 있어, 결합 효율의 악화가 염려되고 있다. 또한, 입사광(광원) 형상, 도입 위치에 제한이 있고, 광원의 크기 및 수가 한정되어, 고출력의 광을 도입할 수 없다. 또한, 입사광 형상을 빔 형상/선 형상으로 할 필요가 있어, 광원의 종류가 한정되어, 상기 형상으로 하기 위한 광학계가 별도 필요하게 된다. 그 결과, 제조 공정이 복잡화하여 비용이 증대하는 문제를 발생시킨다.
또한, 화상 표시시에서는, 평면 표시 소자(80)에서는 도광로의 광로 상류의 소자가 ON상태가 되면, 이 소자의 광로 하류로의 도광이 감쇠하여, 소위 크로스토크가 발생하여 화상 품질을 저하시키게 된다. 또한, ON상태의 소자가 생기는 리크광에 의해서, 그 소자 주위의 화상의 콘트라스트가 저하하는 문제도 있다. 한편, 평면 표시 소자(90)에서는 좁은 도광로에 대출력의 광을 투입하기 때문에, 광로에 광결합 손실이 발생하여 광이용 효율이 저하한다. 또한 도파로의 일부에 약간이라도 결함이 있는 경우에는, 그 위치로부터 리크광이 생겨서, 화질 저하가 발생하기 쉬운 구성으로 되어 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제을 감안하여 행하여진 것으로써, 도파로나 도광판을 사용한 표시 방식을 사용하지 않고, 임의 백라이트 광원을 사용할 수 있어, 저비용으로 콘트라스트 저하를 방지하면서, 에너지 효율을 높인 광변조 소자, 및 고품위 화상 표시를 행할 수 있는 표시 소자, 및 노광 처리를 행할 수 있는 노광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
<발명의 개시>
상기 목적 달성하기 위해,
(1) 본 발명에 의한 광변조 소자는, 평면 형상의 광변조 소자로서, 상기 광변조 소자에 도입된 입사광 중 적어도 일부는 상기 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사하는 한편, 입사광 도입측의 반대측으로부터는 상기 입사광이 실질적으로 출사하지 않는 특성을 갖는 전반사 광학부재와, 상기 전반사 광학부재의 전반사면측에 배설되는 동시에 상기 전반사면으로부터 입사광을 선택적으로 결합하여 취출하는 광결합 요소를 구비한 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 도입된 입사광이 전반사 광학부재에 조사되어, 전반사 광학부재 내에 도입되면, 그 도입된 입사광 중 적어도 일부가 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사하는 한편, 상기 입사광 도입측의 반대측으로부터는 입사광이 실질적으로 출사되지 않는다. 이 전반사 광학부재의 전반사면에서 입사광을 결합하여 취출하는 광결합 요소를 선택적으로 근접 배치함으로써, 근접 배치된 광결합 요소에 의해 전반사광이 취출되어 입사광 광로 전방으로 출사된다. 이것에 의해, 면상의 입사광을 고효율로 광변조 소자에 도입할 수 있어, 광결합 요소의 근접 배치 상태에 따른 선택적인 광변조를 행할 수 있다.
(2) 광변조 소자는 상기 입사광이 면상의 광인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는, 광변조 소자에 도입되는 광을 면상의 광으로 함으로써, 광로의 손실이 억제되어, 면상의 입사광을 면상인 채로 고효율로 광변조 소자에 도입할 수 있어, 에너지 효율을 높인 구성으로 할 수 있다.
(3) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가 상기 전반사면의 입사광 전반사 조건을 변화시킴으로써 입사광을 취출하는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광결합 요소가 전반사 광학부재의 전반사면에 근접 배치됨으로써, 전반사면에서의 전반사 조건이 변화하여, 전반사 광학부재 내에 도입된 입사광이 광결합 요소와 커플링되어 취출된다.
(4) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가 전기 기계 동작에 의해 상기 전반사 광학부재의 전반사면에 근접 가능하게 지지된 가요 박막으로 되는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 전압 인가에 의한 정전기력을 이용하는 방식, 전압 인가에 의한 압전 효과를 이용하는 방식, 전류 인가에 의한 전자기력을 이용하는 방식 등의 각종의 방식에 의해, 광결합 요소를 전반사 광학부재의 전반사면에 근접시키는 구성으로 함으로써, 전력을 절약하면서 응답성이 우수한 광스윗치를 실현할 수 있다.
(5) 광변조 소자는 상기 전기 기계 동작이 정전기력을 구동원으로 한 동작인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광결합 요소를 정전기력에 의해 구동함으로써, 전반사광학부재의 전반사면에 대해서 가요 박막을 수㎛이하의 거리로 근접시키는 구성으로 함으로써, 저전압·저소비 전력으로 고속 구동이 가능해진다.
(6) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가 전계의 인가에 의해 광학 특성을 변화시키는 액정을 포함하는 층으로 되는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광결합 요소를 전계의 인가에 의해 액정의 광학 특성을 변화시켜, 전반사 조건을 변화시킴으로써, 염가의 구성으로 광스위칭 동작을 얻을 수 있다.
(7) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가 상기 전반사 광학부재 상에 1차원 어레이 형상으로 배열 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광결합 요소를 전반사 광학부재 상에 1차원 어레이 형상으로 배열하여 구성함으로써, 1차원의 동시 변조 가능한 광변조 소자를 형성할 수 있다.
(8) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가 상기 전반사 광학부재 상에 2차원 어레이 형상으로 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광결합 요소를 전반사 광학부재 상에 2차원 어레이 형상으로 배열하여 구성함으로써, 2차원의 동시 변조 가능한 광변조 소자를 형성할 수 있어, 화상 표시를 행할 수 있다.
(9) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가 패시브 매트릭스 구동 수단에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 특히 광결합 요소가 정전기력을 이용한 것으로서, 예를 들어, 전반사 광학부재의 전반사면측에 설치한 전극과, 일부가 지지된 가요 박막상에 설치한 전극 사이에 전압을 인가하면, 가요 박막이 전반사 광학부재의 전반사면측을 향해 변위하지만, 이 때의 가요 박막의 형상과 탄성 정수 등의 기계적 물성, 가요 박막과 전반사면의 공극 거리 등을 적당히 선택함으로써, 인가 전압에 대한 변위 특성에 히스테리시스가 생긴다. 이 히스테리시스 특성을 이용하여, 예를 들어, 복수의 스트라이프 형상의 전극을 전반사 광학부재의 전반사면측에 배치하여 신호 전극으로 하고, 이것과 직교하는 복수의 스트라이프 형상의 전극을 가요 박막상에 병설 하여 주사 전극으로 하고, 이들 신호 전극과 주사 전극에 적당히 전위를 인가함으로써, TFT 등의 액티브 소자를 사용하지 않고, 2차원 배열된 임의 화소의 투과율을 고콘트라스트로 제어할 수 있게 된다. 즉, 소위 패시브 매트릭스 구동이 가능해져서, 이것에 의해, 염가로 대면적인 광변조 소자를 실현할 수 있다.
(10) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가, 취출된 광의 광로를 변화시키는 광로 변경 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광결합 요소가 취출된 광의 광로를 변화시킴으로써, 광학 소자로부터의 출사광을 특정의 방향으로 집광시키거나, 확산시킬 수 있게 된다.
(11) 광변조 소자는 상기 광로 변경 수단이 굴절에 의해 상기 취출된 광의 광로를 변화시킴을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광결합 요소로부터 취출된 광의 광로를 굴절에 의해 변화시킴으로써, 광량을 유지한 채로 광로를 변경할 수 있다.
(12) 광변조 소자는 상기 광로 변경 수단이 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 굴절율 분포 렌즈체의 어느 하나로 되는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 양산에 적합한 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 굴절율 분포 렌즈체에 의한 광학 요소를 적당히 선정함으로써, 비용 다운을 도모하면서 양호한 성능을 발휘할 수 있다.
(13) 광변조 소자는 상기 광로 변경 수단이 회절에 의해 상기 취출된 광의 광로를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광결합 요소로부터 취출된 광의 광로를 회절에 의해 변화시킴으로써, 광의 광로를 고정밀도로 설정할 수 있다.
(14) 광변조 소자는 상기 광로 변경 수단이 체적 홀로그램, 위상 변조형 회절 격자, 진폭 변조형 회절 격자의 어느 하나로 되는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 예를 들어 포토폴리머(photo polymer)법이나 사출 성형법에 의해서 대량 전사 생산이 가능해져서, 광학 소자 자체의 비용 다운이 도모된다.
(15) 광변조 소자는 상기 광로 변경 수단이 광확산 또는 광산란에 의해 상기 취출된 광의 광로를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광확산 또는 광산란에 의해 광로를 변화시킴으로써, 취출된 광을 임의 방향으로 출사시킬 수 있다.
(16) 광변조 소자는 상기 광로 변경 수단이 다공질체, 이종 굴절율 분산체 또는 분포체, 표면에 요철을 갖는 광확산체 또는 광산란체의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 양산에 적합한 다공질체, 이종 굴절율 분산체 또는 분포체, 광확산체 또는 광산란체를 적당히 선정함으로써, 광학 소자 자체의 비용 다운이 도모된다.
(17) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가 취출된 광의 특정 파장 성분을 흡수하여 출사하는 특정 파장 성분 흡수 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 취출된 광의 파장 성분 중, 특정 파장 성분을 흡수하여 출사시킴으로써, 동일종의 입사광이라도 복수색의 출사광을 선택적으로 얻을 수 있다.
(18) 광변조 소자는 상기 광결합 요소가, 취출된 광을 받아 여기 발광하는 형광체를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 취출된 광에 의해 여기 발광하는 형광체를 가짐으로써, 형광체의 발색에 의해 복수색의 출사광을 선택적으로 얻을 수 있다.
(19) 광변조 소자는 상기 광결합 요소에 의해 취출된 출사광을 받아 여기 발광하는 형광체를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 예를 들어 광결합 요소의 광로 전방에 형광체를 배치하여, 광결합 요소로부터 취출된 출사광을 임의 파장으로 변환할 수 있다.
(20) 광변조 소자는, 상기 전반사 광학부재가 그 내부에 광로를 변화시키는 광학 요소가 배치되며, 상기 전반사 광학부재에 도입된 면상의 입사광 중 적어도 일부가 광로를 변화시키는 광학 요소에 도입되며, 이 도입된 입사광의 실질적인 모두가 상기 전반사 광학부재에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사되는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는, 광변조 소자 내에 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소가 배치되며, 이 광로를 변화시키는 광학 요소로 면상의 입사광을 도입한다. 도입된 면상의 입사광은 광로를 변화시키는 광학 요소에 의해서 입사광의 광로가 특정 방향 혹은 임의 방향으로 변화되고, 그 실질적인 모두가 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사된다. 이 때문에, 입사광의 형상, 도입 위치, 및 광원의 종류에 제한을 받지 않고, 면상의 입사광을 면상인 채로 직접적으로 고효율로 도입할 수 있어, 소망하는 계면에서 면상의 전반사광을 고효율로 얻을 수 있다. 또한, 입사각 의존성이 없고 흡수가 없는 반사체를 구성할 수 있고, 광변조 소자로부터의 투과광이 실질적으로 생기지 않기 때문에, 광이용 효율을 높일 수 있다.
(21) 광변조 소자는, 상기 전반사 광학부재가 그 전반사 광학부재 내에 광로를 선택하는 광학 요소가 배치되며, 상기 전반사 광학부재에 도입된 면상의 입사광 중 적어도 일부가 광로를 선택하는 광학 요소에 도입되며, 이 도입된 입사광의 실질적인 모두가 상기 전반사 광학부재에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사되는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광변조 소자 내에 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소가 배치되며, 이 광로를 선택하는 광학 요소로 면상의 입사광을 도입한다. 도입된 면상의 입사광은 광로를 선택하는 광학 요소에 의해서 입사광의 광로가 특정 방향 혹은 임의 방향으로 변화되며, 그 실질적인 모두가 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사된다. 이 때문에, 입사광의 형상, 도입 위치, 및 광원의 종류에 제한을 받지 않고, 면상의 입사광을 면상인 채로 직접적으로 고효율로 도입할 수 있어, 소망하는 계면에서 면상의 전반사광을 고효율로 얻을 수 있다. 또한, 입사각 의존성이 없고 흡수가 없는 반사체를 구성할 수 있어, 광변조 소자로부터의 투과광이 실질적으로 생기지 않기 때문에, 광이용 효율을 높일 수 있다.
(22) 광변조 소자는, 상기 전반사 광학부재가 그 전반사 광학부재의 두께 방향의 입사광 도입측으로부터, 광로를 변화시키는 광학 요소와, 광로를 선택하는 광학 요소가 이 순서로 배치되며, 상기 광로를 변화시키는 광학 요소로 면상의 입사광을 도입할 때에, 도입된 입사광 중 적어도 일부가 광로를 선택하는 광학 요소에 도입되며, 이 도입된 입사광의 실질적인 모두가 상기 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사되는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광변조 소자의 두께 방향의 입사광 도입측으로부터, 광로를 변화시키는 광학 요소와, 광로를 선택하는 광학 요소가 이 순서로 배치되며, 광로를 변화시키는 광학 요소로 면상의 입사광을 도입한다. 도입된 입사광은 광로를 변화시키는 광학 요소에 의해서 입사광의 광로가 특정 방향 혹은 임의 방향으로 변화되며, 또한 광로를 선택하는 광학 요소에 의해서 특정 방향의 입사광만을 투과시킨다. 이것에 의해, 광변조 소자에 도입된 광의 실질적인 모두가 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사된다. 이 때문에, 입사광의형상, 도입 위치, 및 광원의 종류에 제한을 받지 않고, 면상의 입사광을 면상인 채로 직접적으로 고효율로 도입할 수 있어, 소망한 계면에서 면상의 전반사광을 고효율로 얻을 수 있다. 또한, 입사각 의존성이 없고 흡수가 없는 반사체를 구성할 수 있어, 광변조 소자로부터의 투과광이 실질적으로 생기지 않기 때문에, 광이용 효율을 높일 수 있다.
(23) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소와 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 광학적으로 접촉하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 변화시키는 광학 요소와, 광로를 선택하는 광학 요소가 광학적으로 접촉하고 있음으로서, 쌍방의 광의 커플링성을 양호하게 할 수 있는 동시에, 광로를 변화시키는 광학 요소가 방향성을 갖는 경우에, 입사광을 광로를 변화시키는 광학 요소로부터 입사 각도 성분을 유지시킨 채로 광로를 선택하는 광학 요소에 도입할 수 있다.
(24) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소와 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 굴절율이 1보다 큰 매질을 통하여 광학적으로 접촉하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 변화시키는 광학 요소와, 광로를 선택하는 광학 요소가 굴절율이 1보다 큰 매질을 통하여 광학적으로 접촉함으로써, 이 매질과의 계면에서 전반사를 발생시키지 않고, 광로를 변화시키는 광학 요소로부터 광로를 선택하는 광학 요소로 입사광을 도입할 수 있다.
(25) 광변조 소자는 전반사 광학부재의 일부를 구성하는 투명 매질을 구비하고, 그 투명 매질의 광로 전방에 상기 광로를 변화시키는 광학 요소를 배치한 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 입사광이나 투명 매질을 투과한 후에 광로를 변화시키는 광학 요소에 도입되어, 특정 방향의 입사광만 투과된다.
(26) 광변조 소자는 전반사 광학부재의 일부를 구성하는 투명 매질을 구비하고, 그 투명 매질의 광로 전방에 상기 광로를 선택하는 광학 요소를 배치한 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 입사광이 투명 매질을 투과한 후에 광로를 선택하는 광학 요소에 도입되어, 특정 방향의 입사광만 투과된다
(27) 광변조 소자는 전반사 광학부재의 일부를 구성하는 투명 매질을 구비하고, 그 투명 매질의 광로 전방에 상기 광로를 변화시키는 광학 요소와 상기 광로를 선택하는 광학 요소를 이 순서로 배치한 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 입사광이 투명 매질을 투과한 후에 광로를 변화시키는 광학 요소에 도입되어, 입사광의 광로가 특정 방향 혹은 임의 방향으로 변화되고, 또한 광로를 선택하는 광학 요소에 도입되어, 특정 방향의 입사광만 투과된다.
(28) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가 그 광로를 변화시키는 광학 요소의 평균 굴절율을 nt, 전반사 계면의 광로 전방측에 배치된 매질의 굴절율을 nw, 광로를 변화시키는 광학 요소의 매질내를 진행하는 광의 각도를 θt로 했을 때에, 적어도, sinθt>nw/nt의 조건을 만족하는 각도(θt)의 광을 포함하여 전방으로 출력하는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 적어도, sinθt>nw/nt의 조건을 만족하는 각도(θt)의 광이 광로를 변화시키는 광학 요소를 투과하여, 광로를 변화시키면서 전방으로 출력된다.
(29) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가, 굴절에 의해 광로를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 변화시키는 광학 요소가 입사광의 광로를 굴절에 의해 변화시킴으로써, 입사광의 강도를 실질적으로 저하시키지 않고 광변조 소자로 도입할 수 있다.
(30) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 다른 굴절율이 분포된 이종 굴절율 분포체의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 양산에 적합한 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 이종 굴절율 분포체에 의한 광학 요소를 적당히 선정함으로써, 비용 다운을 도모하면서 양호한 성능을 발휘할 수 있다.
(31) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가 회절에 의해 광로를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 변화시키는 광학 요소가 입사광의 광로를 예를 들어 투과형 회절 격자에 의한 회절에 의해서 변화시킴으로써, 고정밀의 입사각도로 입사광을 광변조 소자로 도입할 수 있다.
(32) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가 체적 홀로그램, 위상 변조형 회절 격자, 진폭 변조형 회절 격자의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 예를 들어 포토 폴리머법이나 사출 성형법에 의해서 대량 전사 생산이 가능해져서, 광변조 소자 자체의 비용 다운이 도모된다.
(33) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가 광확산에 의해 광로를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 변화시키는 광학 요소가 광확산에 의해 광로를 변화시킴으로써, 입사광을 임의 방향으로부터 광변조 소자로 입사시킬 수 있다.
(34) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가 다공질체, 이종 굴절율 분포체 또는 분산체, 표면에 요철을 갖는 확산체 또는 산란체의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 양산에 적합한 다공질체, 이종 굴절율 분포체 또는 분산체, 확산체에 의한 광학 요소를 적당히 선정함으로써, 비용 다운을 도모하면서 양호한 성능을 발휘할 수 있다.
(35) 광변조 소자는 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가 광반사에 의해 광로를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 변화시키는 광학 요소가 광반사에 의해서 광로를 변화시킴으로써, 입사광을 임의 방향으로부터 광변조 소자로 입사시킬 수 있다.
(36) 광변조 소자는 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 그 광학 요소로부터 출사되는 투과광의 실질적인 모두가, 상기 광로를 선택하는 광학 요소의 입사광 광로 전방에 배치된 층의 계면 또는 상기 광로를 선택하는 광학 요소의 입사광 광로전방의 계면에서의 전반사 임계각보다 큰 각도 성분을 갖고, 기타의 각도 성분의 입사광은 선택적으로 반사되어 투과되지 않는 성질을 갖는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 선택하는 광학 요소는 이 광학 요소로부터 출사되는 투과광의 실질적인 모두가 광로를 선택하는 광학 요소보다 입사광 광로 전방의 층의 계면에서 또는 광로를 선택하는 광학 요소의 입사광 광로 전방의 계면에서 전반사 임계각보다 큰 각도 성분을 갖고, 기타의 각도 성분의 입사광은 광로를 선택하는 광학 요소에 의해 선택적으로 반사된다. 따라서, 광로를 선택하는 광학 요소로부터는 입사광 광로 전방의 계면에서 전반사하는 입사각 성분의 입사광만이 선택적으로 투과하고, 전반사 되지 않는 입사각 성분의 입사광은 투과되지 않게 된다.
(37) 광변조 소자는 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 그 광로를 선택하는 광학 요소의 평균 굴절율을 ns, 전반사 계면의 광로 전방측에 배치된 매질의 굴절율을 nw, 광로를 선택하는 광학 요소의 매질내를 진행하는 광의 각도를 θs로 했을 때에, sinθs>nw/ns의 조건을 만족하는 각도(θs)의 광을 실질적으로 모두 투과시키는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 sinθs>nw/ns의 조건을 만족하는 각도(θs)의 광이 광로를 선택하는 광학 요소를 실질적으로 모두 투과하고, 다른 광은 반사됨으로써, 특정의 광 성분만 선택적으로 투과된다.
(38) 광변조 소자는 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 입사광의 파장 영역에 대해서 선택적으로 반사하는 기능을 갖고, 상기 광로를 선택하는 광학 요소로의입사광의 입사각이 그 광학 요소의 면에 대해서 작은 각도가 됨에 따라, 선택적으로 반사되는 입사광의 파장이 단파장 측으로 쉬프트하는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 선택하는 광학 요소가 입사광의 파장 영역에 대해서 선택적으로 반사하는 기능을 갖고, 이 광학 요소로의 입사광의 입사각이 그 광학 요소의 면에 대해서 작은 각도가 됨에 따라서, 선택적으로 반사되는 입사광의 파장이 단파장 측으로 쉬프트한다. 이 성질을 이용하여, 소정의 입사각 성분의 입사광만이 투과하도록 광로를 선택하는 광학 요소를 설계하여, 전반사가 생기는 입사 각도 성분의 입사광만을 선택적으로 추출하는 것을 가능하게 할 수 있다.
(39) 광변조 소자는 상기 광로를 선택하는 광학 요소로의 입사광의 입사각이 입사광 광로 전방의 전반사 계면으로의 입사각을 전반사 임계각 이하로 할 때, 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 상기 입사광의 실질적인 모두를 선택적으로 반사하는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 광로를 선택하는 광학 요소로의 입사광의 입사각이 이 입사각과 각층의 굴절 조건에 의해 변화하는 입사광 광로 전방의 전반사 계면으로의 입사각을 이 전반사 계면에서의 전반사 임계각 이하로 할 때, 광로를 선택하는 광학 요소가 입사광의 실질적인 모두를 선택적으로 반사한다. 이것에 의해, 전반사 계면에서 전반사되지 않은 각도 성분의 입사광이 선택적으로 반사되어 광로 전방으로 투과되지 않게 된다.
(40) 광변조 소자는 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 유전체 다층막을 포함하는 광간섭 필터인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 유전체 다층막을 포함하는 광간섭 필터를 사용함에 따라서, 대면적이고 간단한 구성으로 임의 파장 선택 반사막을 형성할 수 있고, 그 반사 파장의 입사각 의존성을 이용하여 용이하게 광로를 선택하는 광학 요소를 형성할 수 있다.
(41) 광변조 소자는 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 코레스테릭 액정, 체적 홀로그램을 포함하는 브래그 반사 필터인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 코레스테릭 액정, 체적 홀로그램을 포함하는 브래그(Bragg) 반사 필터를 사용함에 따라서, 저비용으로 광로를 선택하는 광학 요소를 형성할 수 있다.
(42) 광변조 소자는, 상기 전반사 광학부재가 상기 광변조 소자내에 입사광을 도입하는 광학 요소를 갖고, 그 입사광을 도입하는 광학 요소로 면상의 입사광을 도입했을 때에, 도입된 입사광의 실질적인 모두가 상기 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사되는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 입사광을 도입하는 광학 요소로 면상의 입사광을 도입함으로써, 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사되는 입사광이 전반사 광학부재에 도입된다. 도입된 입사광의 실질적인 모두는 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사된다. 이것에 의해, 광변조 소자의 단면으로부터 전반사 임계각보다 큰 각도로 입사광을 도입하지 않고 면상의 입사광을 간단한 구성으로 면상인 채 직접적으로 고효율로 광변조 소자에 도입할 수 있어, 고출력화를 도모할 수 있다. 또한, 도입된 입사광의 실질적인 모두가 반사 손실이 없는 전반사에 의해 반사되기 때문에, 광변조 소자를 고효율의 반사체로서 기능시킬 수 있다.
(43) 광변조 소자는 상기 입사광을 도입하는 광학 요소가 면상으로 배열된 프리즘 어레이인 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 소정 방향으로부터의 면상의 입사광을, 프리즘 어레이에 의해서 광변조 소자내에서 전반사가 생기는 각도로 변환함으로써, 광변조 소자로 전반사되는 입사광을 도입할 수 있다.
(44) 광변조 소자는 상기 전반사된 입사광의 실질적인 모두가 상기 전반사 광학부재의 입사광 도입측으로 돌아오는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 전반사된 입사광의 실질적인 모두가 광변조 소자의 입사광 도입측으로 돌아옴으로써, 전반사면을 갖는 매질내에서, 도광, 축적, 감금 등이 행하여짐이 실질적으로 없다.
(45) 광변조 소자는 상기 전반사 광학부재를 구성하는 층이 상기 입사광의 파장 영역에 대해서 흡수가 실질적으로 없는 것을 특징으로 한다.
이 광변조 소자에서는 전반사 광학부재를 구성하는 층이 입사광의 파장 영역에 대해서 실질적으로 흡수되지 않기 때문에, 입사광 및 전반사된 입사광의 손실을 억제하여 고효율화를 도모할 수 있다.
(46) 표시 소자는 상기 제1항~제45항의 어느 한 항 기재의 광변조 소자와, 그 광변조 소자에 입사광을 도입하는 평면 광원을 구비한 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 상기 제1항~제45항의 어느 한항 기재의 광변조 소자에평면 광원으로부터의 입사광을 도입함으로써, 전반사 광학부재에 도입된 광을 광결합 요소에 의해 광변조하여 광로 전방으로 선택적으로 출사할 수 있다.
(47) 표시 소자는 상기 입사광이 특정의 입사각 범위를 갖는 코리메이트 광인 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 입사광이 특정의 입사각 범위를 갖는 코리메이트 광이므로, 특정의 입사 각도 성분의 입사광을 광변조 소자에 공급할 수 있어, 광이용 효율을 향상할 수 있다.
(48) 표시 소자는 상기 입사광이 복수의 입사각을 갖는 코리메이트 광인 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 입사광이 복수의 입사각을 갖는 코리메이트 광인 것에 의해, 복수의 입사각 성분의 입사광을 광변조 소자로 한번에 공급할 수 있다.
(49) 표시 소자는 상기 입사광이 임의 입사각을 갖는 확산광인 것을 특징으로 한다.
이 평면 소자에서는 입사광이 임의 입사각을 갖는 확산광이므로, 각종의 방향으로부터의 입사광을 광변조 소자에 도입할 수 있어, 입사광의 균일성을 향상할 수 있다.
(50) 표시 소자는 상기 광결합 요소 또는 그 광로 전방에 형광체를 갖고, 상기 전반사 광학부재의 전반사면과 상기 광결합 요소 사이에, 상기 형광체의 발광 파장 성분을 반사하는 동시에 상기 입사광의 파장 성분을 투과시키는 광학 필터가 개재 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는, 입사광이 광학 필터를 투과하여 형광체에 조사됨으로써 형광체가 발광한다. 이 형광체의 발광한 광 중, 광로 후방을 향해 발한 광이 광학 필터에 의해서 광로 전방으로 반사되어 출사된다. 이것에 의해, 광이용 효율이 향상하여, 보다 고휘도의 표시가 가능해진다.
(51) 표시 소자는 상기 광결합 요소 또는 그 광로 전방에 상기 형광체를 갖고, 상기 형광체의 광로 전방에 상기 형광체의 발광 파장 성분을 투과하는 동시에, 상기 입사광의 파장 성분을 차광시키는 광학 필터가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 예를 들어 입사광으로서 UV광을 사용한 경우에, 그 투과광(누설광)이 표시측(관측자 측)으로 출사되는 것을 방지할 수 있다.
(52) 표시 소자는 상기 광결합 요소 또는 그 광로 전방에 상기 형광체를 갖고, 상기 형광체의 광로 전방에 발광 파장 영역의 광을 흡수하는 광학 필터가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 예를 들어 형광체의 발광 파장이 가시광 영역의 경우, 가시광을 흡수하는 ND 필터(투과율 20~70％정도)를 표시측(관측자 측)에 설치함으로써, 밝은 장소라도 높은 콘트라스트로 표시를 행할 수 있다.
(53) 표시 소자는 상기 광학 필터가 유전체 다층막을 포함하는 광간섭 필터인 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 유전체 다층막을 포함하는 광간섭 필터를 사용함에 따라서, 대면적이고 또한 간단한 구성으로 임의 파장 선택 반사막을 형성할 수 있어,그 반사 파장의 입사각 의존성을 이용하여 용이하게 광학 필터를 형성할 수 있다.
(54) 표시 소자는 상기 광학 필터가 코레스테릭 막을 포함하는 브래그 반사 필터인 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 코레스테릭 액정을 포함하는 브래그 반사 필터를 사용함에 따라, 저비용으로 광학 필터를 형성할 수 있다.
(55) 표시 소자는 상기 입사광의 주파장(main wavelength)이 350nm~400nm인 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 입사광의 주파장을 350nm~400nm로 함으로써, 형광체의 발광 휘도를 높일 수 있어, 보다 고휘도의 화상 표시가 가능해진다.
(56) 표시 소자는 상기 입사광의 주파장이 400nm~500nm인 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 입사광의 주파장을 400nm~500nm로 함으로써, UV광에 내성이 없는 유기 재료 등을 사용하여 표시 소자를 구성할 수 있다.
(57) 표시 소자는 상기 형광체가 가시광을 발광하는 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 형광체가 가시광을 발광함으로써, UV광의 광원으로부터 가시광의 표시를 행할 수 있다.
(58) 표시 소자는 상기 형광체가 적색, 녹색, 청색으로 발광하는 발광체를 형성한 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 형성된 적색, 녹색, 청색의 형광체가 발광함으로써, 풀컬러 화상을 표시시킬 수 있다.
(59) 표시 소자는 상기 평면 광원이 상기 전반사 광학부재의 내부에 배치되는 광원이고 또한 상기 입사광이 상기 광원으로부터 출사되는 광인 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 광원을 전반사 광학부재의 내부에 배치함으로써, 광원으로부터 출사된 광이 광변조 소자 내부에 직접적으로 도입되어, 입사광 도입시의 손실이 큰폭으로 저감된다.
(60) 표시 소자는 상기 입사광이 상기 전반사 광학부재의 외부로부터 입사되는 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 전반사 광학부재의 외부로부터 입사광을 도입함으로써, 표시 소자의 설계 자유도가 향상되어, 대형의 광원이라도 이용할 수 있어, 고출력화를 용이하게 행할 수 있다.
(61) 표시 소자는 상기 표시 소자의 입사광 도입측에 대치하여 설치되며, 상기 표시 소자에 도입한 후에 그 표시 소자에 의해 반사된 입사광을 표시 소자측으로 재투입하는 반사체를 구비한 것을 특징으로 한다.
이 표시 소자에서는 표시 소자의 입사광 도입측에 대치하여 반사체를 설치함으로써, 표시 소자에 일단 입사되어 그 표시 소자에 의해 반사된 입사광이 반사체에 조사되고, 또한 이 반사체로부터의 반사광이 표시 소자측으로 재투입되기 때문에, 광의 리사이클이 행하여져서, 광이용 효율이 향상되어 고효율화가 도모된다.
(62) 노광 소자는 상기 제46항~제61항의 어느 한 항 기재의 표시 소자를 사용하여, 노광 데이터에 의하여 광변조하여 노광 대상을 향해 선택적으로 광을 출사하는 것을 특징으로 한다.
이 노광 소자에서는, 상기 제46항~제61항의 어느 한 항 기재의 표시 소자를 사용하여, 미리 설정된 노광 데이터에 의하여 광변조함으로써, 노광 대상을 향해 선택적으로 광이 출사되어, 노광 대상에 노광 처리를 실시할 수 있다.
본 발명은 면상의 입사광을 도입하여, 소망하는 화상을 표시하는 평면 형상의 광변조 소자, 표시 소자 및 노광 소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 광변조 소자가 탑재된 표시 소자의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 전반사 광학부재의 구체적인 하나의 구성예를 나타내는 도면.
도 3은 투과형의 회절 격자를 나타내는 도면으로서, (a)는 체적 홀로그램, (b)는 릴리프형 회절 격자, (c)는 굴절율 변조형 회절 격자를 나타내는 도면.
도 4는 광확산 판을 나타내는 도면으로서, (a)는 다공질체, (b)는 다른 굴절율을 갖는 물질이 분포/분산한 이종 굴절율 분포체/분산체, (c)는 표면에 요철이 형성된 광확산체 또는 산란체를 나타내는 도면.
도 5는 광간섭 필터의 층 구성을 나타내는 도면.
도 6은 광로를 변화시키는 광학 요소, 광로를 선택하는 광학 요소, 투명 매질(u), 투명 매질(v), 전반사면의 전방측의 투명 매질(w)이 이 순서로 배치된 광학 소자에 대해, 각 계면에서의 입사각과 각 매질의 평균 굴절율의 관계를 나타내는 도면.
도 7은 광을 선택하는 광학 요소로의 입사광의 입사 각도를 나타내는 도면.
도 8은 입사광의 파장에 대한, 광로를 선택하는 광학 요소의 분광 투과율을입사각마다 나타낸 그래프.
도 9는 광로를 선택하는 광학 요소 내외의 광로를 나타내는 도면.
도 1O는 굴절에 의해 광로를 변경하는 광결합 요소를 나타내는 도면으로서, (a)는 렌즈 어레이 (b)는 프리즘 어레이, (c)는 굴절율 분포 렌즈체를 나타내는 사진.
도 11은 취출된 광을 확산 또는 산란시키는 광결합 요소를 나타내는 도면으로서, (a)는 다공질체, (b)는 고굴절율 미립자 등의 다른 굴절율을 갖는 물질의 분산체 또는 분포체, (c)는 표면에 요철이 형성된 광확산체 또는 광산란체를 나타내는 도면.
도 12는 가요 박막에 의해 형성한 표시 소자를 2차원 배열한 평면 표시 소자의 평면도.
도 13은 도 12의 C-C 단면도로, (a)는 비구동시, (b)는 구동시의 상태를 나타내는 도면.
도 14는 평면 표시 소자의 표시측에 형광체를 배치한 여기 발광형 평면 표시 소자의 평면도.
도 15는 도 14의 D-D 단면도로, (a)는 비구동시, (b)는 구동시의 상태를 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 여기 발광형 평면 표시 소자로서, 형광체를 가요 박막 상에 형성한 여기 발광형 평면 표시 소자의 일부를 나타내는 단면도.
도 17은 본 발명의 제5 실시 형태에 의한 광결합 요소의 개념적인 구성과, 광변조 작용을 설명하는 도면.
도 18은 PLDC를 사용한 광결합 요소의 개념적인 구성과, 광변조 작용을 설명하는 도면.
도 19는 광로를 선택하는 광학 요소를 액정막에 의해 구성한 예를 나타내는 도면.
도 20은 광로를 선택하는 광학 요소에 의한 분광 투과율을 나타내는 도면.
도 21은 본 발명의 제6 실시 형태에 의한 전반사 광학부재로서, 프리즘을 사용하여 형성한 구성예를 나타내는 도면.
도 22는 마이크로프리즘 어레이와 투명 매질을 접합한 전반사 광학부재의 단면 구성을 나타내는 도면.
도 23은 마이크로프리즘 어레이와 투명 매질을 접합한 구조체의 광로 전방에, 마이크로프리즘 어레이의 광입사각에 따른 각도에 광로를 변화시키는 광학 요소를 설치하여 구성한 전반사 광학부재의 단면 구성을 나타내는 도면.
도 24는 전반사 광학부재의 다른 구성예를 각각 나타내는 도면.
도 25는 전반사 광학부재의 구체적인 하나의 구성예를 나타내는 도면.
도 26은 입사광의 파장 영역을 나타내는 그래프.
도 27은 파장(λ)에 대한 분광 투과율(T)의 변화를 입사각(θ)마다 나타낸 그래프.
도 28은 입사각(θ)에 대한 분광 투과율(T)을 파장(λ)마다 나타낸 그래프.
도 29는 종래의 도광판 방식의 평면 표시 소자의 일부 단면도.
도 30은 종래의 평면 표시 소자의 구성을 나타내는 도면.
도 31은 도 30의 평면 표시 소자의 동작을 설명하는 도면.
부호의 설명
2, 3 --- 전반사 광학부재, 4 --- 평면 광원, 5 --- UV광 평면 광원, 6, 7, 8 --- 광결합 요소, 10 --- 광로 변화 광학 요소, 12, 13--- 광로 선택 광학 요소, 14 --- 투명 매질, 16 --- 투명 매질(공기등), 20 --- 다른 굴절율을 갖는 물질, 22, 52, 66, 72 --- 전반사면, 26 --- 투명 전극, 28 --- 배향층, 30 --- 코레스테릭 액정층, 32 --- 신호 전극, 34 --- 주사 전극, 38 --- 광확산층, 40 --- 가요 박막, 42a, 42b, 42c --- 형광체, 44 --- 투명 기판, 45 -- 전면판, 48 --- 블랙 매트릭스, 50--- 파장 선택 반사막, 54 --- 액정층, 56 --- PLDC 층, 60 --- 마이크로캡슐, 64 --- 마이크로프리즘 어레이, 68 --- 프리즘, 70 --- 투명 매질, 100 --- 표시 소자, 200 --- 평면 표시 소자, 300, 400 --- 여기 발광형 평면 표시 소자, θ0, θ1, θ2, θ3--- 입사각, θc --- 전반사 임계각, λ--- 파장.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하, 본 발명에 의한 광변조 소자 및 표시 소자의 적합한 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 도입된 면상의 입사광 중 적어도 일부를, 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사시키는 한편, 입사광 도입측의 반대측으로부터는 입사광을 실질적으로 출사시키지 않는 전반사 광학부재를 사용하는 동시에, 이 전반사 광학부재의 전반사면에 입사광을 결합시켜 취출하는 광결합 요소를 선택적으로 근접 배치함으로써, 면상의 입사광을 면상인 채로 고효율로 광변조 소자에 도입하고, 광결합 요소의 근접 배치 상태에 따른 선택적인 광변조를 행할 수 있도록 하여, 도파로나 도광판을 사용한 표시 방식을 사용하지 않고, 에너지 효율을 높인 광변조를 가능하게 한 것을 특징으로 한다.
도 1에 본 발명에 의한 광변조 소자가 탑재된 표시 소자의 개념적인 구성을 나타냈다. 본 실시 형태의 표시 소자(100)는 평면 형상의 전반사 광학부재(2)와, 이 전반사 광학부재(2)에 면상의 광을 도입하는 평면 광원(4)과, 전반사 광학부재(2)의 입사광 도입측과는 반대측의 면에 근접 가능하게 배치되고 가요 박막으로 되는 광결합 요소(6)로 되어 있다. 전반사 광학부재(2)와 광결합 요소(6)는 광변조 소자를 구성하고 있다. 이 전반사 광학부재(2)는 면상의 입사광을 도입했을 때에, 이 도입한 입사광이 전반사 광학부재(2)의 광로 전방의 면(전반사면(22))에서 전반사에 의해 반사되도록 형성되어 있다. 그리고, 전반사 광학부재(2)의 광결합 요소(6)가 근접 배치된 영역에서는 전반사면(22)에서의 입사광의 전반사 조건이 무너져서, 입사광이 광결합 요소(6)와 결합하여 취출되어 광로 전방으로 출사된다. 한편, 전반사 광학부재(2)의 전반사면(22)에 광결합 요소(6)가 근접하고 있지 않은 영역에서는 입사광이 전반사되어, 실질적으로 이 전반사 광학부재(2)를 투과하여 광로 전방으로 출사하는 일은 없다.
상기 광결합 요소(6)는 전반사 광학부재(2)의 전반사면(22)에 접촉하는 위치로 이동 가능하게 배치되어 있다. 그러나, 상기 광결합 요소는 상기 전반사면(22)과 완전히 접촉시킬 필요는 없고, 그 요소를 그 전반사면(22) 근방에 충분히 근접시키는 것만으로도 충분하다. 이 경우의 근접 거리를 λ/10 (λ= 파장) 정도 이하로 함으로써, 접촉시와 거의 동일한 광결합을 발생시킬 수 있다.
따라서, 상기 표시 소자(100)에 의하면, 평면 광원(4)으로부터 면상의 광을 전반사 광학부재(2)로 도입하고, 광결합 요소(6)를 전반사 광학부재(2)의 전반사면(22)에 선택적으로 근접시킴으로써, 이 근접시킨 광결합 요소(6)로부터 광을 광로 전방으로 출사시켜, 소망한 표시를 행할 수 있다.
이하에 상기 표시 소자(100)의 각 구성 요소에 대해서 상세하게 설명한다. 우선, 전반사 광학부재(2)를 설명한다.
도 2에 전반사 광학부재(2)의 구체적인 하나의 구성예를 나타냈다. 도 2에 나타내는 바와 같이 전반사 광학부재(2)는 입사광의 도입측으로부터 광로를 변화시키는 광학 요소(10), 광로 선택 광학 요소(12), 투명 매질(14)의 순서로 적층된 다층 구조체로 되어 있다. 이 전반사 광학부재(2)의 투명 매질(14)의 광로 전방에는 투명 매질(16)(본 실시 형태에서는 공기)이 존재하고, 투명 매질(14)의 굴절율(n1)(제1 굴절율)과 투명 매질(16)의 굴절율(n2) (제2 굴절율)의 관계는 투명 매질(14)과 투명 매질(16)의 계면으로 되는 전반사면(22)에서의 전반사 조건을 만족하도록 설정되어 있다. 예를 들어 투명 매질(14)이 유리 기판의 경우는 굴절율(n1)=1.5이고, 투명 매질(16)이 공기의 경우는 굴절율(n2)=1.0이 된다. 또한, 전반사 광학부재(2)를 구성하는 각층은 입사광의 파장 영역에 대해서 실질적으로흡수되지 않아, 입사광 및 전반사면(22)에서 전반사된 입사광의 손실을 억지하여 고효율인 광학부재를 구성하고 있다.
광로를 변화시키는 광학 요소(10)는 굴절, 회절, 광확산, 광반사 등을 이용하여 광로를 변화시키는 광학 요소이고, 일례로서 다음 종류의 광학 요소를 사용할 수 있다. 굴절을 이용하는 경우는 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 굴절율 분산체 등이 사용되어, 입사광의 강도가 실질적으로 저하되지 않는다. 회절을 이용하는 경우는 도 3에 나타내는 투과형의 회절 격자가 사용되며, 체적 홀로그램(도 3의 (a)참조), 릴리프형 회절 격자(도 3의 (b)참조)나 굴절율 변조형 회절 격자(도 3의 (c)참조) 등의 위상 변조형 회절 격자, 진폭 변조형 회절 격자 등이 사용되어, 고정밀도로 입사광 광로의 각도를 설정할 수 있다. 각 광학 요소는 예를 들어 포토폴리머(photopolymer)법이나 사출 성형법에 의해서 대량 전사 생산이 가능하다.
또한, 광확산을 이용하는 경우는, 도 4에 나타내는 광확산 판이 사용된다. 즉, 다공질체(도 4의 (a)참조), 다른 굴절율을 갖는 물질(20)이 분포/분산한 이종 굴절율 분포체/분산체(도 4의 (b)참조), 표면에 요철이 형성된 광확산체 또는 산란체(도 4의 (c)참조) 등이 사용된다. 또한 광반사를 이용하는 경우는 임의 방향으로 반사하는 미소 반사체의 분산체 등이 사용된다. 어느 광학 요소도 양산에 적합하므로, 용이하게 비용 다운이 가능하다.
광로 선택 광학 요소(12)는 이 광학 요소(12)로부터 출사되는 선택 투과광의 실질적인 모두가 입사광 광로 전방에 위치한 층에서의 전반사 임계각보다 큰 각도를 갖는 성분을 갖고, 다른 각도를 갖는 입사광 성분은 선택적으로 반사되어 투과되지 않는다. 즉, 투명 매질(14)과 투명 매질(16)의 계면에서 전반사를 발생시키는 조건인 전반사 임계각(θc)보다 큰 각도를 갖는 입사광 성분만이 광로 선택 광학 요소(12)를 투과하고, 다른 각도를 갖는 입사광 성분은 차광된다. 또한, 전반사 임계각(θc)은 (1)식에 의해 구해진다.
θc=sin-1(n2/n1) (1)
구체적인 광로 선택 광학 요소(12)의 하나의 구성예로는 유전체 다층막으로 되는 광간섭 필터를 들 수 있다. 이 광간섭 필터의 층 구성을 도 5에 나타냈다.
광간섭 필터는 고굴절율 재료와 저굴절율 재료를 차례차례 적층하여 구성된 유전체 다층막으로서, 그 광학 특성으로는 자세한 것은 후술하지만, 입사광을 그 파장에 따라 선택적으로 반사하는 기능을 갖고, 입사각에 따라 선택 반사하는 파장이 단파장 측으로 쉬프트 하는 특성을 갖는다. 입사광의 파장 영역를 λiS~λiL(λiS< λiL)로 할 때, 광학 요소(12)로부터 출사되는 선택 투과광의 출사각이 전반사 임계각(θc)이하의 각도 성분의 광에 대해서는, 파장 영역(λiS~λiL)의 입사광의 실질적인 모두를 선택적으로 반사한다. 이 구성에 의하면, 대면적이고 또한 간단한 구성으로 임의의 파장 선택이 가능한 반사막을 형성할 수 있고, 그 반사 파장의 입사각 의존성을 이용하여 용이하게 광로 선택 광학 요소(12)를 형성할 수 있다. 또한, 상기 광간섭 필터는 유전체 다층막의 층구성에 금속막을 추가한 금속/유전체 다층막으로 하여도 좋다. 또한, 유전체 다층막 등으로 되는 광간섭 필터는 EB 증착(전자 빔 증착법), 스퍼터법 등으로 투명 지지 기판상에 복수의 박막 재료를 성막함으로써 형성 가능하다. 또한, 상기 박막 재료는, 다른 굴절율을 갖는 유기 다층막, 또는 무기물을 함유하는 유기 다층막이라도 좋고, 이 경우는 도포, 라미네이트에 의해, 보다 낮은 비용으로 형성 가능하다.
여기서, 광로 변화 광학 요소(10)와 광로 선택 광학 요소(12)의 광학적 성질에 대해서 상술한다.
우선, 광로 변화 광학 요소(10)가 예를 들어 굴절에 의해 광로를 변경시키는 경우를 생각한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 광로 변화 광학 요소(평균 굴절율 nt), 광로 선택 광학 요소(평균 굴절율 ns), 투명 매질(u) (평균 굴절율 nu), 투명 매질(v) (평균 굴절율 nv), 전반사면의 전방측의 투명 매질(w) (평균 굴절율 nw)이 이 순서로 배치된 광학 소자의 경우, 투명 매질(v)과 투명 매질(w)의 계면이 전반사면으로 하면, 각각의 계면에서의 입사각과 각매질의 평균 굴절율의 관계는 (2)식과 같이 표시된다.
nv·sinθv=nw
nu·sinθu=nv·sinθv=nw
ns·sinθs=nu·sinθu=nw
nt·sinθt=ns·sinθs=nw (2)
여기서, θt, θs, θu, θv는 각각의 매질 내에서의 광로 각도이다. 따라서, 광로 변화 광학 요소(10)의 조건으로는
sinθt>nw/nt
의 조건을 만족하는 각도(θt)의 광을 적어도 포함하여 광로 전방으로 출력할 필요가 있다. 바람직하게는 이 조건을 만족하는 각도(θt)의 광을 가능한 한 많이 포함하여 광로 전방으로 출력한다. 또한, 투명 매질(w)이 공기인 경우는 nw=1 이 되어, 상기 조건은
sinθt>1/nt 가 된다.
한편, 광로 선택 광학 요소(12)의 조건으로는
sinθs>nw/ns
의 조건을 만족하는 광만을 투과시키도록 설정된다. 또한, 투명 매질(w)이 공기의 경우는 nw=1이 되어, 상기 조건은
sinθs>1/ns 가 된다.
다음에, 평면 광원(4)을 설명한다.
평면 광원(4)은 전반사 광학부재(2)에 면상의 입사광을 조사한다. 이 입사광으로는 코리메이트 광 또는 확산광의 어느 것이라도 사용할 수 있고, 또한, 전반사 광학부재(2)의 외부로부터 입사하는 것 외에, 전반사 광학부재(2) 내부에 광원을 가져 발광시키는 것이라도 좋다. 코리메이트 광의 경우는 특정의 입사 각도 성분의 입사광을 전반사 광학부재(2)에 공급함으로써 광이용 효율을 향상시킬 수 있는 반면, 확산광의 경우는 임의 저비용인 평면 광원을 사용할 수 있다. 또한, 내부에 광원을 갖는 경우는 광원으로부터의 광이 전반사 광학부재(2) 내부에 직접적으로 도입되기 때문에 광의 도입 효율이 향상되고, 광학 소자와 광원이 일체 형성할 수 있기 때문에 소형 박형화가 도모된다. 한편, 외부에 광원을 갖는 경우는 표시 소자(100)의 설계 자유도가 향상되고, 대형이고 임의 외부 평면 광원도 이용할수 있어, 고출력화를 용이하게 달성할 수 있다.
상기 입사광으로는 UV광, 청색광이나 녹색광 등의 가시광, 적외광 등의 특정 밴드의 파장 영역의 광을 사용할 수 있다.
또한, 광원의 종류의 예로는 불활성 가스나 수은 증기를 봉입한 전자관인 형광등, 수은등, 네온관등, 쿠룩스(crookes)관 등의 일반적으로 사용되고 또한 그대로 이용할 수 있는 방전 램프나, 코리메이트 광이 용이하게 얻어지는 레이저 광원이나, 염가이고 파장 영역이 정해진 LED나, 면형상의 광이 얻어지는 무기 또는 유기 EL이나, 백색광을 발해서 목적에 따라 필터링함으로써 임의 파장 성분이 취출되는 백열 램프나, CRT 등의 음극선 표시관으로서 표시 소자로 도입되는 면형상의 광이 직접적으로 얻어지는 음극선 램프나, 상기와 같이 평면 형상의 표시관으로서 면형상의 광이 직접적으로 얻어지는 FED 등을 사용할 수 있다.
상기 평면 광원은 직접 면형상의 광이 얻어지는 것 이외는 예를 들어, 복수의 점광원이나 선광원을 집결시킴으로서 면형상의 광을 형성하거나, 1개 또는 복수개의 광 빔을 편향 주사시킴으로써 면형상의 광을 형성한다. 또한, 단지 점광원이나 선광원으로부터의 광을, 확산/산란, 굴절, 회절 등을 행하는 필터를 통과시킴으로써 면형상의 광을 형성하여 조사하는 것이라도 좋다.
복수의 점광원이나 선광원을 집결시키는 방식의 예로는 LED를 종횡으로 매트릭스 배치하여, 광량이 균일하하게 되도록 발광시키는 구성이나, 예를 들어 형광관을 병렬 배치시켜서 발광시키는 구성의 것 등을 들 수 있다. 또한, 편향 주사시키는 방식의 예로는 반도체 레이저나 가스 레이저 등의 레이저 빔을, 다각형 미러 등에 의해 편향 주사시킴으로써 면형상의 광을 얻는 구성이나, 평면 표시 소자 전체를 진공 밀봉하여 음극선을 주사시켜 형광체를 여기 발광시키는 구성의 것 등을 들 수 있다. 또한, 레이저 빔은 복수의 조사 스폿을 형성하는 멀티 빔을 사용함으로써, 보다 효율적으로 면형상의 광을 얻을 수 있다. 어느 것이라도, 평면 광원과 동등의 면형상의 광을 얻을 수 있으면 점광원이나 선광원 등의 어느 광원을 사용할 수있다.
또한 광원으로부터의 광을 전반사 광학부재(2)에 조사할 때, 미리 면형상의 광을 형성하여 조사하는 이외에도, 점광원이나 선광원에 의한 광을 그대로 전반사 광학부재(2)에 대하여 순차 주사시키면서 도입해도 좋다. 이 경우에는 예를 들어 상기한 레이저 빔의 주사 등을 적합하게 이용할 수 있다.
다음에, 광로 선택 광학 요소(12)의 특성을, 도 7~도 9를 사용하여 상세하게 설명한다.
도 7은 광학 요소(12)로의 입사광의 입사각을 나타내고 있고, 도 8은 입사광의 파장에 대한 광학 요소(12)의 분광 투과율을 입사각마다 나타낸 그래프이고, 도 9는 광학 요소(12)내외의 광로를 나타내는 도면이다.
우선, 도 7에 나타내는 바와 같이, 광학 요소(12)에 입사광을 각 입사각(θ0, θ1, θ2, θ3)으로 입사시킨 경우를 생각하면, 도 8에 나타내는 바와 같이 광학 요소(12)의 분광 투과율이 변화한다. 즉, 입사각이 전반사 임계각(θc)이하의 θ0(0도)의 경우는 분광 투과율이 입사광의 파장 영역(λiS~λiL)에 대해서대략 0％로 되어 차광 상태(투과하지 않고 반사되는 상태)로 된다. 한편, 입사각이 전반사 임계 각도(θc)보다 큰 경우는 입사각이 θ1, θ2, θ3로 크게 됨에 따라서, 분광 투과율의 투과 특성이 단파장 측으로 쉬프트하기 때문에 투과광량이 증가한다. 즉, 광로 선택 광학 요소(12)로의 입사광의 입사각이 그 광학 요소(12)의 면에 대해서 작은 각도로 됨에 따라서, 선택적으로 반사되는 입사광의 파장이 단파장 측으로 쉬프트한다. 이것에 의해, 입사광의 입사 각도 성분이 θ0의 광은 투과하지 않고, 입사 각도 성분이 특정의 각도보다 큰 θ1, θ2, θ3의 광이 이 순서로 많이 투과하게 된다. 그래서, 광학 요소(12)를, 그 분광 특성이 소정의 계면에서의 전반사 임계각(θc)보다 큰 입사광 성분만이 투과하도록 설계함으로써, 전반사 조건을 만족하지 않는 입사광 성분을 차광하고, 전반사하는 입사광 성분만을 광학 요소(12)로부터 선택적으로 출사시킬 수 있게 된다.
상기와 같이, 전반사면(22)에서의 전반사 임계각(θc)보다 큰 입사광 성분만이 투과하도록 설계된 광학 요소(12)를 사용하여 전반사 광학부재(2)를 구성한 경우의 입사광 광로를, 도 9를 사용하여 설명한다.
도 9의 (a)는 광로 선택 광학 요소(12)에 입사된 광이 광학 요소(12)에서 반사하는 광로(A)와, 광로 선택 광학 요소(12)에 입사된 광이 광학 요소(12)를 투과하여 광로 전방의 투명 매질(14)과 투명 매질(16)의 계면으로 되는 전반사면(22)에서 전반사하는 광로(B)를 나타내고 있다.
광로(A)는 입사광의 입사각(θi)이 전반사면(22)에서의 전반사 임계각(θc)이하의 경우를 나타내고 있다. 광학 요소(12)는 이러한 입사각 성분의 광을 투과시키지 않고 그 표면에서 선택적으로 반사시킨다. 이 때문에, 전반사 임계각(θc)이하의 입사 각도 성분의 광은 광학 요소(12)에 의해 광로 전방으로부터 차광된다.
광로(B)는 입사광의 입사각(θi)가 전반사면(22)에서의 전반사 임계각(θc)보다 큰 경우를 나타내고 있다. 광학 요소(12)는 이러한 입사각 성분의 광을 투과시킨다. 이 때문에, 전반사 임계각(θc)보다 큰 입사 각도 성분의 광은 광학 요소(12)를 투과하여 투명 매질(14)로 도입되어, 전반사면(22)에서 전반사된다.
또한, 도 9의 (a)는 입사광이 입사되는 측의 굴절율(na)과 투명 매질(14)의 굴절율(nb)이 동일하고, 광학 요소(12)에 대한 입사각(θi)과 전반사면(22)에서의 입사각(θs)이 동일한 경우를 나타내고 있다.
한편, 도 9의 (b)는 입사광이 입사되는 측의 굴절율(na)과 투명 매질(14)의 굴절율(nb)이 다르고, 광학 요소(12)에 대한 입사각(θi)과 전반사면(22)에서의 입사각(θs)이 다른 경우를 나타내고 있다. 이 경우의 광학 요소(12)는 전반사면(22)에서의 입사각(θs)이 전반사 임계각(θc)보다 커지도록 설계된다.
상기와 같이 설계된 광로 선택 광학 요소(12)를 사용하여 전반사 광학부재(2)를 구성함으로써, 도 1에서 화살표로 광로를 나타내는 바와 같이, 전반사 광학부재(2)에 도입된 코리메이트 광 또는 확산광으로 되는 면상의 입사광이 광로 변화 광학 요소(10)에 입사되면, 광의 조사 위치로부터 확산 등에 의해 광로가 변화한다. 그리고, 광로가 변화한 광이 광로 선택 광학 요소(12)에 도달하면, 투명 매질(14)과 투명 매질(16)의 계면으로 되는 전반사면(22)에서의 전반사 임계각(θc)보다 큰 각도 성분의 입사광만이 광학 요소(12)를 투과하고, 다른 각도 성분의 입사광은 광학 요소(12)의 표면에서 광입사측으로 선택적으로 반사된다.
따라서, 전반사 광학부재(2)에 입사되는 광 중, 전반사면(22)에서 전반사하는 광만이 광로 전방으로 도입되고, 이 도입된 광이 전반사면(22)에서 전반사한다. 즉, 광로 선택 광학 요소(12)에서는 광학 요소(12)로부터 출사되는 투과광의 실질적인 모두가 광로 선택 광학 요소(12)의 입사광 광로 전방에 위치한 전반사면에서의 전반사 임계각보다 큰 각도를 갖는 성분을 갖고, 다른 각도를 갖는 입사광 성분은 선택적으로 반사되어 투과되지 않는다. 또한, 전반사면을 갖는 매질내에서, 도광, 축적, 감금 등이 행하여짐은 실질적으로 없다.
또한, 광로 선택 광학 요소(12)의 표면에서 입사광 도입측에 반사된 광의 일부는 광로 변화 광학 요소(10)의 광입사측의 계면(반사층)에서 반사되고, 다시, 광로 선택 광학 요소(12)에 투입된다. 이 재투입된 광은 입사각도가 커져서, 전반사 임계각(θc)보다 크게 되어, 광학 요소(12)를 투과하여 투명 매질(14)에 도입된다.
다음에, 광결합 요소(6)를 설명한다.
광결합 요소(6)는 전반사면에서의 입사광의 전반사 조건을 무너뜨리고, 광을 결합하여 취출하고, 광로 전방으로 출사시키는 것이다. 이 광결합 요소(6)에는 취출된 광의 광로를 변경하는 광로 변경 수단, 특정 파장 성분을 흡수하는 특정 파장 성분 흡수 수단이 적당히 설치된다. 구체적인 예로는 다음의 (1)~(4)에 나타내는 종류의 것을 이용할 수 있다.
(1) 굴절에 의해 광로를 변경하는 것 또는 그 기능을 갖는 것
전반사면(22)에 근접 배치시킴으로써 취출된 출력 광을, 굴절에 의해 그 광로를 변경하는 것으로, 예를 들어, 도 1O의 (a)에 나타내는 렌즈 어레이, 도 1O의 (b)에 나타내는 프리즘 어레이, 도 10의 (c)에 나타내는 굴절율 분포 렌즈체 등을 들 수 있다. 이들 렌즈 어레이, 프리즘 어레이에 의하면, 전반사 광학부재(2)의 전반사면(22)로부터 취출된 출력 광을 집광 혹은 확산시켜서 다른 방향으로 출사시킬 수 있어, 출력 광에 출사 방향성을 갖게 하거나, 출사 방향성을 없애는 것을 출력 광의 강도를 저하시키지 않고서 간단한 구성으로 행할 수 있다.
(2) 투과형 회절 격자 또는 그 기능을 갖는 것
취출된 광을 투과시키는 동시에 회절에 의해 출사 방향을 변경하는 투과형 회절 격자로는, 상기와 동일한 도 3의 (a)에 나타내는 체적 홀로그램, 도 3의 (b)에 나타내는 릴리프형 회절 격자, 도 3의 (c)에 나타내는 굴절율 변조형 회절 격자, 진폭 변조형 회절 격자 등을 들 수 있다. 이들 투과형 회절 격자에 의하면, 출력 광의 출사 각도를 정확하게 설정할 수 있다. 또한, 예를 들어 포토폴리머법이나 사출 성형법에 의하여 대량 생산이 가능해져서, 표시 소자 자체의 비용 다운이 도모된다.
(3) 광확산체 또는 광산란체 혹은 그 기능을 갖는 것
취출된 광을 확산 또는 산란시키는 광확산체 또는 광산란체로는 도 11의 (a)에 나타내는 양산에 적합한 다공질체, 도 11의 (b)에 나타내는 고굴절율 미립자 등의 다른 굴절율을 갖는 물질(20)의 분산체 또는 분포체, 도 11의 (c)에 나타내는표면에 요철이 형성된 광확산체 또는 광산란체 등을 들 수 있다. 이들의 광확산체 또는 광산란체에 의하면, 확산 또는 산란에 의해 출력 광을 임의 방향으로 흐트릴 수 있어, 출력 광의 출사 방향성을 없앨 수 있다.
(4) 입사광을 흡수하는 것 또는 그 기능을 갖는 것
입사광을 흡수하는 것으로는, 화상 데이터의 기록된 투과성 화상 필름 등을 들 수 있다. 전반사 광학부재(2)의 전반사면(22)으로부터 취출된 출력 광을 투과성 화상 필름에 의해 특정 파장 성분을 흡수시켜 출사함으로써, 농담 표시와 특정색의 발색을 얻을 수 있다. 즉, 투과성 화상 필름에 기록된 화상과 같이 표시 화상을 얻을 수 있다. 이 때문에, 동일종의 입사광이라도 복수색의 출사광을 선택적으로 얻을 수 있다.
여기서, 상술한 전반사 광학부재(2), 평면 광원(4), 광결합 요소(6)에 의해 구성한 표시 소자(100)의 광변조 동작을 설명한다.
도 1에 나타내는 전반사 광학부재(2)에 평면 광원(4)으로부터의 광이 도입되면, 광로 변화 광학 요소(10) 및 광로 선택 광학 요소(12)를 투과한 광이 전반사 광학부재(2)의 전반사면(22)에서 전반사 된다. 또한, 이 전반사면(22)에 광결합 요소(6)가 근접한 영역에서는, 전반사면(22)에서의 전반사 조건이 무너져서, 광결합 요소(6)에 의해 전반사면(22)으로부터 광이 취출된다. 취출된 광은 전반사 광학부재(2)와는 반대측의 표시측으로 출사되어 표시광으로 된다. 한편, 광결합 요소(6)가 전반사면(22)으로부터 이간한 영역에서는 전반사면(22)에서 전반사되어 표시측으로 출사되지 않는다.
이와 같이, 본 실시 형태의 표시 소자(100)는 광결합 요소의 구성이 간단하기 때문에, 공극 갭, 막균일성을 대폭으로 저감할 수 있어, 대면적화로의 실용성이 우수한 구성으로 되어 있다.
상기 구성의 표시 소자(100)에 의하면, 도광판이나 광도파로를 사용하지 않고, 저비용의 구성으로 면상의 광원으로부터의 입사광을 면상인 채로 직접적으로 고효율로 전반사 광학부재(2)에 도입하기 때문에, 예를 들어 입사광을 단면측으로부터 도입하는 경우와 비교하여 입사광의 도입구를 현격히 넓게 채택할 수 있게 되어, 입사광과의 결합 효율이 향상되고, 표시 소자(100) 자체의 박형화에 영향을 받지 않고, 고효율로 면상의 전반사광을 도입할 수 있다. 이것에 의해, 광결합 요소(6)가 전반사면에 근접 배치된 영역으로부터, 전반사면(22)으로부터 취출된 입사광을 표시면측에 고효율로 출사할 수 있다. 따라서, 표시 소자(100)의 광로 전방측의 면에서는, 광결합 요소(6)가 설치된 영역만이 비쳐서, 표시 소자(100)로부터 화상과 같이 광이 출사된다. 즉, 필요 개소만에 화상 표시를 행할 수 있다. 또한, 이 구성에 의하면, 도광판이나 광도파로를 사용하는 경우에 생기는 크로스토크에 의한 국소적인 광량 저하가 방지되어, 표시 화면의 전면에 걸쳐서 균등한 밝기의 표시가 가능해진다.
그리고, 표시 소자(100) 내의 각계면에서 반사되는 입사광의 일부는 계면에서의 반사 등에 의해 광로 전방으로 재투입 되기 때문에, 표시 소자(100)의 고출력화도 용이하게 달성할 수 있다. 또한, 전반사 광학부재(2)단체에서는 투과광이 실질적으로 생기지 않기 때문에, 도입한 광량이 감쇠되지 않아서, 광이용 효율을 향상할 수 있다. 또한, 전반사 광학부재(2)가 공기(불활성 가스라도 좋음)와 접촉하는 기체 접촉 계면을 전반사면으로 함으로써, 전반사를 생기게 하는 굴절율의 층을 별도 설치함이 없이 단순 구조로 할 수 있다.
또한, 평면 광원의 배치 위치를 자유롭게 선택할 수 있어, 수많은 광원을 실장할 수 있게 되어, 광의 출사 휘도를 향상할 수 있다. 또한, 평면 광원의 입사광 각도 분포 제한이 없어, 기존의 백라이트 광원을 사용할 수 있게 된다. 또한, 도시는 생략하지만, 표시 소자(100)의 입사광 도입측에, 이 표시 소자(100)에 의해 반사된 입사광을 표시 소자(100)측에 재투입하기 위한 반사체를 설치하여도 좋다. 이것에 의해, 광의 리사이클이 행하여져, 광이용 효율이 향상되어 고효율화가 도모된다.
다음에, 상술한 표시 소자를 2차원 배열하여 구성한 본 발명의 제2 실시 형태를 도 12, 도 13을 사용하여 설명한다.
도 12는 가요 박막에 의해 형성한 표시 소자를 2차원 배열한 평면 표시 소자의 평면도이고, 도 13은 도 12의 C-C 단면도로서, (a)는 비구동시, (b)는 구동시의 상태를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 평면 표시 소자(200)는 전반사 광학부재(2)의 전반사면(22)상에 광결합 요소(6)가 m행 n열(m, n은 정수)의 2차원상으로 배열되어 있다. 즉, 전반사면(22)상에는 입사광에 대해서 투명한 신호 전극(32)이 열방향으로 각각 n열 평행 배치되며, 이 신호 전극(32)에 직교하는 행방향으로, 같은 입사광에 대해서 투명한 주사 전극(34)이 신호 전극의 양측에 형성된 한쌍의 기둥재(36a, 36b)를 통하여 m행 평행 배치되어 있다. 또한, 주사 전극(34)의 신호 전극(32)측에는 전기 절연성을 갖는 광확산층(38)이 형성되며, 주사 전극(34)과 광확산층(38)에 의해 가요 박막을 형성하고 있다.
전기 절연성을 갖는 광확산층은 예를 들어 SiO2, SiNx 등의 무기 절연막이나, 폴리이미드 등의 유기 절연막을 사용할 수 있다. 또한, 가요 박막과 신호 전극 사이의 공극 형성에는 공극부에 미리 희생층을 형성하고, 그 위에 가요 박막을 형성한 후 마지막으로 희생층을 에칭 제거하여 공극을 얻을 수 있다. 가요 박막에 광확산성을 부여하는 수단으로는 포토리소·에칭 등에 의해 표면에 요철을 형성하는 방법이나, 굴절율이 다른 미립자를 상기 절연막에 분산하는 방법 등으로 얻을 수 있다.
상기 구성의 평면 표시 소자(200)의 광변조 동작을 설명하면, 우선, 도 13의 (a)에 나타내는 바와 같이, 신호 전극(32)과 주사 전극(34) 사이의 전압이 비구동 전압(Voff)일 때, 가요 박막(40)은 뉴트럴 상태의 평면 형상을 나타내어, 전반사 광학부재(2)에 도입된 광은 표시측으로 출사되지 않다.
한편, 도 13의 (b)에 나타내는 바와 같이, 신호 전극(32)과 주사 전극(34) 사이에 구동 전압(Von)을 인가하면, 신호 전극(32)과 주사 전극(34) 사이에 정전기력이 발생하여 가요 박막(40)은 신호 전극(32)에 흡착된다. 그러면, 전반사 광학부재(2)에 도입된 광은, 가요 박막(40)이 신호 전극(32)에 흡착된 영역에서 전반사 조건이 무너져서, 신호 전극(32) 및 가요 박막(40)을 통해서 취출된다. 이 취출된광이 표시측으로 출사되게 된다.
이와 같이, 상기 구성의 평면 표시 소자(200)에 의하면, 가요 박막(40)과 신호 전극(32)을 전기 기계 동작에 의해 이반 또는 접촉시킴으로서도 광 확산 작용이 얻어지고, 이 도광 확산 작용을 이용하여 광변조가 가능해진다. 즉, 가요 박막(40)과 신호 전극(32) 사이에 공극이 형성되어 있을 때는 전반사 광학부재(2)내의 전반사 조건이 만족되어 신호 전극(32)으로부터의 광을 차단하는 한편, 가요 박막(40)을 신호 전극(32)에 접촉시켰을 때는 전반사 조건이 무너져서 신호 전극(32)으로부터의 광이 가요 박막(40)측으로 도광된다. 이 도광된 광을 가요 박막(40)내의 광확산층(38)에서 확산함으로써, 가요 박막(40)으로부터의 광의 출사가 가능하게 된다.
다음에, 본 발명의 표시 소자에 의해 자외선을 광변조하여, 형광체를 여기 발광시켜서 표시를 행하는 본 발명의 제3 실시 형태를 설명한다.
도 14는 전술의 평면 표시 소자의 표시측에 형광체를 배치한 여기 발광형 평면 표시 소자의 평면도이고, 도 15는 도 14의 D-D 단면도로, (a)는 비구동시, (b)는 구동시의 상태를 나타내는 도면이다.
도 14 및 도 15에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 여기 발광형 평면 표시 소자(300)는 상기한 평면 표시 소자(200)의 평면 광원(4)을 면상의 UV광을 조사하는 UV광 평면 광원(5)으로 하고, 전반사 광학부재(2)의 가요 박막(40) 형성측에, 형광체를 투명 기판(44)에 형성한 전면판(46)을 대향 배치한 구성으로 하고 있다.
전면판(46)에는 평면 표시 소자(200)의 신호 전극(32)에 대향시켜 배치된 삼원색(R, G, B)의 띠모양의 형광체(42a,42b,42c)가 설치되어 있다. 또한, 이들 띠모양의 형광체(42a,42b,42c) 사이에는 콘트라스트비를 향상시키는 블랙 매트릭스(48)를 배치하고 있다. 이 경우의 블랙 매트릭스(48)는 카본 분산 수지, 크롬 등의 금속으로 형성할 수 있다.
이 전면판(46)은 형광체 발광 파장을 투과하는 유리 등의 재료가 사용된다. 또한, 형광체의 가요 박막(40)측에는 여기용 자외선을 투과시키고, 형광체 발광 파장을 반사하는 파장 선택 반사막(50)이 설치되어 있다. 이 파장 선택 반사막(50)은 UV광 평면 광원으로부터의 광을 투과시키는 동시에, 형광체로부터의 발광을 표시측을 향해 반사시키고 있다. 이것에 의해 표시 광량의 증대가 도모된다. 이 파장 선택 반사막(50)으로는 예를 들어 유전체 다층막이나, 코레스테릭 액정 재료를 사용할 수 있다.
이들 신호 전극(32), 주사 전극(34)는 도입되는 광에 대해서 투명한 도전성 재료로 구성되며, 여기용 자외선을 투과시키는 재료 또는 그 광학 특성을 갖는 것이 바람직하고, 구체적으로는 ITO 등이 사용 가능하다. 더욱 바람직하게는 알루미늄 또는 그 합금, 크롬, 몰리브덴, 탄탈 등의 금속 박막을 상기 투명한 도전재료의 단(edge)에 적층하여 전극의 저항을 낮게 하여, 인가 전압의 지연을 저감할 수 있다.
다음에, 상기 구성의 여기 발광형 평면 표시 소자(300)의 광변조 동작을 설명하면, 우선, 도 15의 (a)에 나타내는 바와 같이, 신호 전극(32)과 주사 전극(34) 사이의 전압이 비구동 전압(Voff)일 때, 가요 박막(40)은 뉴트럴 상태의 평면 형상을 나타내어, 전반사 광학부재(2)에 도입된 UV광은 전면판(46)측으로 출사되지 않는다.
한편, 도 15의 (b)에 나타내는 바와 같이, 신호 전극(32)과 주사 전극(34) 사이에 구동 전압(Von)를 인가하면, 가요 박막(40)은 정전기력에 의해서 신호 전극(32)에 흡착된다. 그러면, 전반사 광학부재(2)에 도입된 UV광은 전반사 조건이 무너지기 때문에 신호 전극(32) 및 가요 박막(40)을 통해서 취출되어, 전면판(46)측으로 출사된다. 출사된 UV광은 전면판(46)의 파장 선택 반사막(50)을 투과하여 형광체(42a,42b,42c)에 선택적으로 조사되어, 형광체를 여기 발광시킨다. 이것에 의해 생긴 여기광(R, G, B색)은 표시측으로 출사되고, 또한, 표시측 후방을 향한 여기광은 파장 선택 반사막(50)에 의해 표시측으로 반사되어 출사된다.
이와 같이, 상기 구성의 여기 발광형 평면 표시 소자(300)에 의하면, 가요 박막(40)과 신호 전극(32)이 전기 기계 동작에 의해 이반하고, 쌍방 사이에 공극이 형성되어 있을 때는 전반사 광학부재(2)내의 전반사 조건이 만족되어 신호 전극(32)으로부터의 광을 차단한다. 한편, 가요 박막(40)이 신호 전극(32)에 접촉되어 있을 때는 전반사 조건이 무너져서 신호 전극(32)으로부터의 광이 가요 박막(40)을 통해서 전면판(46)측으로 출사하여 형광체(42a,42b,42c)를 선택적으로 여기 발광시킨다. 이것에 의해, 임의 위치의 형광체를 선택적으로 발광 제어할 수 있고, 또한, 면상으로 도입된 UV광을 그대로 형광체에 조사하여 가시 3원색을 발광시키므로, 예를 들어 액정 표시 소자와 같이 백색 광원을 색흡수형의 컬러 필터로 3원색화하는 경우와 비교하여 광이용 효율을 높여서, 임의 패턴의 컬러 평면 화상을 표시할 수 있다.
또한, 상기 구성에 의한 2차원 배열 광변조 소자는 가요 박막의 형상과 탄성 정수 등의 기계적 물성, 가요 박막과 전반사면의 공극 거리 등을 적당히 선택함으로써, 인가 전압에 대한 변위 특성에 히스테리시스를 갖는다.
이 히스테리시스 특성을 이용하여, 신호 전극(32)과 주사 전극(34)에 적당한 전위를 인가함으로써, TFT 등의 액티브 소자를 사용하지 않고 2차원 배열된 임의 화소의 투과율을 고콘트라스트로 제어할 수 있게 된다. 즉, 소위 패시브 매트릭스 구동이 가능하다. 패시브 매트릭스 구동이란 격자상으로 주사 전극과 신호 전극을 배치하고, 이것을 시분할로 ON/OFF 제어함으로서 교점 부분의 화소를 구동하는 표시 방식으로서, 대표적인 예로는 STN(Super Twisted Nematic)이 있다.
이와 같이, 광변조 소자를 일반적으로 사용되는 패시브 매트릭스 구동 수단에 접속하여 각 전극(32,34)에 전위를 인가함으로써, 염가로 대면적인 평면 표시 소자를 실현할 수 있다. 또한, 가요 박막과 전반사면의 공극을 1㎛정도로 함으로써, 저전압에서 고속의 광변조가 가능해지고, 특히 투과율을 2가로 변조하고, 1 필드 시간내에 투과시키는 시간을 디지털적으로 제어함으로써, 동영상 표시에 적합한 고품위의 계조가 안정되게 얻어진다. 또한, 형광체 발광에 의한 표시이므로 시야각 의존이 없어 고화질 표시가 얻어진다.
다음에, 본 발명의 표시 소자에 의해 자외선을 광변조하여, 형광체를 여기 발광시켜 표시를 행하는 본 발명의 제4 실시 형태를 설명한다.
도 16은 상기한 여기 발광형 평면 표시 소자의 형광체를 가요 박막 상에 형성한 본 실시 형태의 여기 발광형 평면 표시 소자의 일부를 나타내는 단면도로써, (a)는 비구동시, (b)는 구동시의 상태를 나타내는 도면이다.
도 16의 (a)에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 여기 발광형 평면 표시 소자(400)는 전면판을 설치함이 없이, 형광체(52a, 52b, 52c)를 가요 박막(40)상에 직접 형성함으로써, 구성 및 성형 공정의 간략화를 도모한 것으로, 한층의 박형화와 저비용화가 달성된다. 또한, 형광체(52a, 52b, 52c)의 각각의 사이에 블랙 매트릭스를 설치함으로써, 표시 화상의 콘트라스트를 높이고 있다.
또한, 상기 제3 실시 형태, 제4 실시 형태에서는 입사광으로서 UV광을 사용하여, 그 투과광에 의해 여기 발광하는 G(녹색), R(적색)의 형광체를 사용하여 풀컬러 표시를 행했지만, 이 외에는 입사광으로서 청색(주파장 영역은 400~500nm)으로 하여, 이 청색광에서 여기 발광하는 G(녹색), R(적색)의 형광체를 사용하여도 좋고, 이들 조합은 상기 예에 한정되지 않는다. 입사광으로서 청색과 같은 가시광을 사용함으로써, UV광에 내성이 없는 유기 재료 등을 본 발명의 소자를 구성하는 재료로서 사용가능하다.
또한, 가요 박막 또는 그 광로 전방에 형광체를 설치하고, 이 형광체의 광로 전방에, 형광체의 발광 파장 성분을 투과하는 동시에 입사광의 파장 성분을 차광시키는 광학 필터를 설치하여도 좋다. 이 구성에 의하면, 예를 들어 입사광으로서 UV광을 사용한 경우에, 그 투과광(누설광)이 표시측(관측자측)으로 출사되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 광학 필터 대신에, 형광체의 발광 파장 성분을 투과하는 동시에입사광의 파장 성분을 차광시키는 광학 필터를 설치하여도 좋다. 이 구성에 의하면, 예를 들어 형광체의 발광 파장이 가시광 영역의 경우, 가시광을 흡수하는 ND필터(투과율 20~70％ 정도)을 표시측(관측자 측)에 설치함으로써, 밝은 장소라도 높은 콘트라스트로 표시를 행할 수 있다.
다음에, 상술한 표시 소자의 광결합 요소를 액정에 의해 형성하여, 전기 광학적으로 광변조를 행하는 본 발명의 제5 실시 형태를 설명한다.
도 17에 본 실시 형태의 광결합 요소의 개념적인 구성과, 광변조 작용을 설명하는 도면을 나타냈다. 본 실시 형태의 광결합 요소(7)에서는, 전반사 광학부재(2)의 전반사면에 신호 전극(32)을, 이 신호 전극(32)에 대치하여 주사 전극(34)을 각각 설치하는 동시에, 이들 신호 전극(32)과 주사 전극(34) 사이에, 신호 전극(32) 계면에서 전반사 조건을 만족하는 굴절율(nc)과 전반사 조건을 무너뜨리는 굴절율(nd)로 변조 가능한 액정층(54)을 개재하고 있다.
도 17의 (a)는 각 전극에 비구동 전압(Voff)을 인가한 상태이고, 도 17의 (b)는 각전극에 구동 전압(Von)을 인가한 상태를 나타내고 있다. 비구동 전압(Voff)을 인가한 상태에서는 신호 전극(32)과 액정층(54)의 계면에서는 전반사 조건을 만족하도록 액정층(54)의 굴절율이 설정되기 때문에, 전반사 광학부재(2)에 도입된 광은 계면에서 전반사한다. 또한, 구동 전압(Von)을 인가한 상태에서는 액정층(54)의 굴절율이 nc로부터 nd로 변화하여, 계면에서의 전반사 조건이 무너져서, 전반사 광학부재(2)에 도입된 광이 취출되어, 표시측으로 출사된다.
이와 같이, 상기 구성의 광결합 요소에 의하면, 액정층(54)의 굴절율을 변조시키는 구동 전압 제어에 의해서 광변조를 행할 수 있어, 종래의 편광판을 사용하는 액정 변조 소자와 비교하여, 고효율로 변조를 행할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 변형예로서, 광결합 요소를 상기한 액정층 대신에 PLDC(중합체 분산형 액정)을 사용하여 표시 소자를 구성할 수 있다.
도 18에 PLDC를 사용한 광결합 요소의 개념적인 구성과, 광변조 작용을 설명하는 도면을 나타냈다. 본 실시 형태의 광결합 요소(8)에서는 전반사 광학부재(2)의 전반사면에 신호 전극(32)을, 이 신호 전극(32)에 대치하여 주사 전극(34)을 각각 설치하는 동시에, 이들 신호 전극(32)과 주사 전극(34) 사이에 PLDC층(56)을 개재하고 있다. PLDC층(56)은 고분자 네트워크를 갖는 중합체층(58)내에 액정층이 봉입된 미소한 마이크로캡슐(60)을 분산한 것이다. 이 PLDC층(56)은 전극간 전압이 비구동 전압(Voff) 일때는 액정이 불규칙하게 정렬되어 광이 확산되기 때문에, 도입된 광은 표시측으로 출사한다. 또한, 전극간 전압이 구동 전압(Von) 일때는 액정 분자가 정렬되기 때문에, 도입된 광은 액정 층내를 직진하고, 층 전방의 계면에서 전반사되어, 그 결과, 표시측으로는 출사되지 않는다. 이것에 의해, 광의 온 오프 제어를 행할 수 있다.
다음에, 이상 설명한 표시 소자, 평면 표시 소자, 여기 발광형 평면 표시 소자에 사용되는 전반사 광학부재의 다른 실시 형태를 이하에 설명한다.
우선, 광로를 선택하는 광학 요소로서, 상기한 광간섭 필터 대신에 브래그 반사 필터를 사용한 본 발명의 제5 실시 형태를 설명한다.
도 19에 광로를 선택하는 광학 요소(13)을 액정막에 의해 구성한 예를 나타냈다. 이 경우의 광로를 선택하는 광학 요소(13)는 ITO 등으로 되는 한쌍의 투명 전극(26)과, 그 내측에 형성된 배향층(28)과, 배향층(28)으로 둘러싸인 코레스테릭 액정층(30)으로 된다.
이 구성의 코레스테릭 액정층(30)에 의한 필터링 효과를 이하에 설명한다. 코레스테릭 액정층(30)은 코레스테릭 액정 분자가 층에 대해서 평행하게 배향되며, 층의 수직 방향에 대해서 나선 구조를 나타내고 있다.
코레스테릭 액정층(30)의 보통광(ordinary-light) 굴절율을 no, 이상광(extraodinary-light) 굴절율을 ne, 복굴절율을 △n, 평균 굴절율을 n으로 하면, 복굴절율 △n은 식(3)으로 표시할 수 있다.
△n = ne-no (3)
또한, 평균 굴절율 n은 근사적으로 식(4)으로 표시할 수 있다.
n = (ne + no)/2 (4)
또한 코레스테릭 액정층(30)의 나선 피치를 P [nm]로 한 경우, 코레스테릭 액정층(30)은 브래그 반사의 원리에 의거하여 선택적으로 반사하는 특성을 나타낸다. 즉, 입사각(θ)[deg]로 코레스테릭 액정층(30)에 입사한 광이 선택적으로 반사된 경우의 입사광의 중심 파장 λ(θ)[nm]는 식(5)으로 표시할 수 있다.
λ(θ)=λ(0)·cos[sin-1(sinθ/n)] (5)
단, 입사광은 공기(굴절율=1)로부터 입사시키는 것으로 한다. 여기서, λ(0)[nm]는 입사각이 θ0, 즉, 층에 대해서 수직 입사했을 때의 중심 파장이고,식(6)으로 표시할 수 있다.
λ(0) =n·P (6)
또한, 반사 파장 대역폭 △λ[nm]는 식(7)으로 표시할 수 있다.
△λ= △n·P (7)
따라서, 코레스테릭 액정층(30)의 물성치인 보통광 굴절율(no), 이상광 굴절율(ne), 나선 피치(P)를 제어하여 층을 형성함으로써, 입사각(θ)에 따라 변화하는 임의 소망한 반사 중심 파장(λ(θ))과, 소망한 반사 파장 대역폭(△λ)을 가진 광학 필터를 형성할 수 있다. 예를 들어, 나선 피치(P)의 조정은 나선 피치가 다른 2종 이상의 재료를 혼합하여 조정하는 등의 제법에 의해 가능하다.
또한 대상으로 하는 입사광의 파장 영역이 넓은 경우는 코레스테릭 액정층의 선택 반사 파장 영역도 넓힐 필요가 있다. 이 경우는 나선 피치가 두께 방향에서 연속적으로 다르도록 액정을 배향시킴으로써 반사 파장 영역를 넓힐 수 있다. 또한, 다른 선택 반사 파장 영역의 코레스테릭 액정층을 적층함으로써도 반사 파장 영역를 넓힐 수 있어, 본 발명의 광로를 선택하는 광학 요소로서 사용 가능하다.
또한, 이 코레스테릭 액정층(30)은 다음과 같이 하여 제조할 수 있다.
코레스테릭 액정을 성막하는 지지체상에 폴리이미드 배향막을 도포, 건조하고, 러빙에 의한 표면 처리를 행한다. 이것에 의해, 폴리이미드 배향막이 형성된다. 이 위에, 저분자 코레스테릭 액정, 또는 네마틱 액정과 트위스트를 발현시키는 카이럴제의 혼합물, 고분자 단량체, 광중합 개시제를 유기 용제에 혼합시킨 조정액을 도포한 후, 적당한 온도에서 배향시킨다. 그 후, 필요한 부분에 자외선을노광하여 광중합시키고, 현상에 의해 불요 부분을 제거한다. 마지막으로 고온 베이크를 행하여 안정시킨다.
트위스트 방향 및 반사 입사 각도를 제어하기 위해서는 코레스테릭 액정, 카이럴제, 및 각각의 농도를 적당히 변경하면 좋다.
또한, 고분자 코레스테릭 액정을 사용하여 성막할 수도 있다. 이 경우는 상기와 마찬가지로 폴리이미드 배향막 위에 고분자 코레스테릭 액정과 광중합 개시제를 유기 용매에 혼합시킨 조정액을 도포한 후, 적당한 온도에서 배향시키고, 필요한 부분에 자외선을 노광하여 광중합시킨다. 반사 입사 각도는 배향 온도를 적당히 선택함으로써 제어할 수 있어, 광중합에 의해 안정화한다.
여기서, 이 구성의 광로를 선택하는 광학 요소(13)에 의한 분광 투과율을 도 20에 나타냈다. 이 코레스테릭 액정층은 왼쪽 트위스트 코레스테릭 액정층과 오른쪽 트위스트 액정층을 겹친 예로, 반사 파장 영역에서는 전편광 성분을 반사한다. 입사각이 전반사 임계각(θC) 이하의 θO(도 7참조)의 경우에는 분광 투과율이 입사광의 파장 영역(λiS~λiL)에 대해서 대략 0％가 되어 차광 상태가 되지만, 입사각이 전반사 임계각(θc)보다 큰 각도로, θ1, θ2, θ3로 커짐에 따라서, 분광 투과율의 투과 특성이 단파장 측으로 쉬프트하기 때문에 투과 광량이 증가한다. 이것에 의해, 입사광의 입사 각도 성분이 θ0의 광은 투과하지 않고, 입사 각도 성분이 특정의 각도보다 큰 θ1, θ2, θ3의 광이 이 순서로 많이 투과하게 된다. 그래서, 광학 요소(12)의 분광 특성을 소정의 계면에서의 전반사 임계각(θc)보다 큰 입사광 성분만이 투과하도록 설계함으로써, 전반사 조건을 만족하지 않는 입사광 성분을 선택적으로 제거하고, 전반사하는 입사광 성분만을 광학 요소(12)로부터 출사시킬 수 있게 된다.
이 구성에 의하면, 상기한 광간섭 필터를 사용한 경우와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있는 동시에, 보다 저비용으로 광로를 선택하는 광학 요소(13)을 실현할 수 있다.
또한, 코레스테릭 액정층(30)에 대해서는 그 나선 구조가 오른쪽 트위스트의 경우, 오른쪽 원 편광 성분의 광을 반사하고, 나선을 따른 왼쪽 원 편광 성분의 광을 투과시킨다. 한편, 나선 구조가 왼쪽 트위스트의 경우, 왼쪽 원 편광 성분의 광을 반사하고, 오른쪽 원 편광 성분의 광을 투과시킨다. 따라서, 전편광(全偏光) 성분의 광을 반사, 즉, 투과시키지 않는 경우는 왼쪽 트위스트(또는 오른쪽 트위스트) 코레스테릭층과 역의 오른쪽 트위스트(또는 왼쪽 트위스트) 코레스테릭층을 차례차례 겹치는 구조로 함으로써, 전편광을 반사시킬 수 있다.
상기 코레스테릭 액정 이외에, 브래그 반사의 기능을 갖는 광학 요소로는 체적 홀로그램이 유효하다. 체적 홀로그램은 필름내에 형성된 격자상의 굴절율 분포에 의해 브래그 반사 기능을 갖고, 특정의 파장을 반사한다. 또한, 입사각이 커지면 반사 파장은 단파측으로 쉬프트하여, 광로 선택막으로서 기능한다. 체적 홀로그램은 홀로그램용 사진감재, 상분리형 포토폴리머(photopolymer), HPDLC (holography 고분자 분산 액정), 포토리소그래피 재료 등을 감광 재료로 하고, 이것에 다광속 간섭 노광을 행함으로써 형성 가능하다.
다음에, 상기한 광간섭 필터나 브래그 반사 필터를 사용하지 않고, 또한 단순하고 염가의 구성으로 전반사 광학부재를 형성한 본 발명의 제6 실시 형태를 설명한다.
본 실시 형태에서는 전반사 광학부재가 프리즘을 사용하여 형성되어 있다. 이 경우의 전반사 광학부재의 구성예를 도 21에 나타냈다. 본 변형 예의 전반사 광학부재(3)는 요철면을 입사광 도입측에 갖는 마이크로프리즘 어레이(64)로 된다. 도 21의 (a)에 마이크로프리즘 어레이(64)를 광의 입사면측에서 본 평면도를, 도 21의 (b)에 (a)의 P-P 단면에서의 단면도를 나타냈다.
마이크로프리즘 어레이(64)는 평판상으로서, 그 상면을 평활한 전반사면(66)으로 하는 한편, 하면을 단면 산형태의 요철로 되는 프리즘(68)을 평행하게 복수 배열한 형상으로 되어 있다.
이 마이크로프리즘 어레이(64)의 재료로는 유리, 수지 등을 사용할 수 있고, 특히 양산성의 관점에서 수지가 바람직하다. 수지로는 아크릴계, 에폭시계, 폴리에스테르계, 폴리카보네이트계, 스티렌계, 염화비닐계 등이 광학적으로 바람직하고, 또한, 수지 재료에는 광경화형, 광용해형, 열경화형, 열가소형 등이 있고, 적당히 선택 가능하다.
마이크로프리즘 어레이(64)의 제법으로는 금형에 의한 캐스트법이나 가열 프레스 성형, 사출 성형, 인쇄법 또는 포토리소그래피법이 생산성의 면에서 바람직하다. 구체적으로는 열가소성 수지를 마이크로프리즘 형상의 금형으로 프레스 함으로써 성형 가능하다. 또한, 광경화성 수지 또는 열경화성 수지를 금형에 충전하고, 그 후, 광 또는 열에 의해서 수지를 경화시켜, 금형으로부터 빼냄으로도 성형 가능하다.
포토리소그래피법으로는 광용해 수지 또는 광경화성 수지에 적당히 패터닝된 차광 마스크를 통하여 자외선(또는 가시광선)으로 노광하고, 각각 노광부의 용해 현상 또는 미노광부의 용해 현상을 행함으로써 형성된다. 수지 재료와 노광양 분포에 의해 소망한 형상의 마이크로프리즘을 얻을 수 있다. 또한, 수지 재료에 따라서는 현상 후에 고온 베이크 처리를 행하여, 열연화시의 표면장력에 의해 소망한 형상의 마이크로프리즘 어레이(64)를 얻을 수 있다.
또한, 입사광은 특정의 입사 각도 범위로 수렴된 면상의 광으로, 도 21의 (b)에 나타내는 바와 같이, 입사각(θi)으 전반사 광학부재(3)에 입사시키고 있다.
본 실시 형태의 전반사 광학부재(3)에 의하면, 마이크로프리즘 어레이(64) 주위의 매질(16)이 공기(굴절율(n2)=1)이고, 마이크로프리즘 어레이(64)가 투명 수지(굴절율 n3=1.5)로 되는 경우, 전반사면(52)에서의 전반사 임계각(θc)은 상기한 식 (1)에 의해 구할 때, 42 [deg]가 된다.
그래서, 본 실시 형태에서는 전반사면(52)에 대한 입사각(θ)을 θ≥θc로 하기 위해서, 프리즘의 정각(α)은 90 [deg]전후로, 좌우 열린 각은 45 [deg]전후로 설정하고 있다. 이 경우, 입사광이 프리즘 외부로부터 입사될 때, 그 입사광의 입사각(θi)은 45 [deg]전후로 된다. 이 조건하에서는 광선식(optical eclipse)도실질적으로 없고, 고효율로 입사광을 전반사면(52)에서 전반사시킬 수 있다. 또한, 프리즘의 정각(α)은 이것에 한정되지 않는다.
이와 같이, 용이하게 또한 염가로 양산 가능한 마이크로프리즘 어레이(64)를 사용하고, 면상으로 조사되는 입사광을 도입함으로써, 도입된 입사광의 실질적인 모두를 전반사시킬 수 있다.
또한, 이 마이크로프리즘 어레이(64)의 광로 전방에 유리나 수지 등의 투명 매질을 설치한 구성으로 하여도 좋다. 이 경우의 전반사 광학부재의 단면 구성을 도 22에 나타냈다.
이 구성에 의하면, 면상의 입사광이 마이크로프리즘 어레이(64)에 조사되고, 마이크로프리즘 어레이(64)에 의해 프리즘의 정각(α) 등에 의해 설정되는 소정의 입사 각도 성분의 입사광이 투명 매질(70)내에 도입된다. 그리고, 도입된 입사광은 고효율로 투명 매질(70)의 전반사면(72)에서 전반사된다. 이 때문에, 상기와 마찬가지로 도입된 입사광의 실질적인 모두를 투명 매질(70)의 전반사면(72)에서 전반사 시킬 수 있다.
또한, 이 마이크로프리즘 어레이(64)와 투명 매질(70)을 접합한 구조체의 광로 전방에, 마이크로프리즘 어레이(64)의 광입사각에 따른 각도로 광로를 변화시키는 광학 요소를 설치하여 전반사 광학부재를 구성할 수도 있다.
이 경우의 전반사 광학부재(3)의 단면 구성을 도 23에 나타냈다. 전반사 광학부재(3)는 입사광의 도입측으로부터, 유리 기판이나 투명 수지 등의 투명 매질(14), 투과형 회절 격자 등의 광로 변화 광학 요소(10), 마이크로프리즘 어레이(64), 투명 매질(70)의 순서로 적층된다. 또한, 입사광은 특정의 입사 각도 범위로 수렴된 면상의 광이다. 광로 변화 광학 요소(10)는 투과형 회절 격자로 한 경우, 바람직하게는 체적 홀로그램을 사용할 수 있지만, 릴리프형 회절 격자나 굴절율 분포형 회절 격자 혹은 진폭 변조형 회절 격자라도 좋다.
이 구성에 의하면, 코리메이트 광인 면상의 입사광이 전반사 광학부재(3)에 조사되면, 입사광은 투명 매질(14)을 투과하고, 광로 변화 광학 요소(10)에 의해 마이크로프리즘 어레이(64)의 정각(α) 등에 의해 설정되는 소정의 입사 각도 성분의 광으로 광로가 변환된다. 즉, 투명 매질(70)의 전반사면(72)에서의 전반사 조건을 만족하는 각도로 광로가 변환된다. 환언하면, 광로 변화 광학 요소(10)는 입사광이나 투명 매질(70)의 전반사면(72)에서 전반사하는 입사 각도가 되도록 설계되어 있다. 이와 같이 도입되는 입사광을 투명 매질(70)의 전반사면(72)에서 전반사시킬 수 있게 된다.
여기서, 상기 각 실시 형태에 사용되는 전반사 광학부재(2) 외의 구성예를 도 24를 사용하여 간단히 설명한다.
우선, 도 24의 (a)에 나타내는 전반사 광학부재는 입사광의 도입측으로부터, 광로를 변화시키는 광학 요소(10), 전반사면을 갖는 투명 매질(14)이 이 순서로 적층된 구조체이다. 이 전반사 광학부재는 투명 매질(14)의 광로 전방의 전반사면(22)에서 입사광이 전반사 되도록 광로 변화 광학 요소(10)가 설계되어 있다.
이 전반사 광학부재에 의하면, 입사광이 조사되면, 광로 변화 광학 요소(10)에 의해서, 투명 매질(14)의 전반사면에서 전반사하는 입사 각도 성분으로 광로가 변경된다. 이 광로가 변경된 투과광이 전반사면(22)에서 전반사된다.
다음에, 도 24의 (b)에 나타내는 전반사 광학부재는 입사광의 도입측으로부터, 광로를 변화시키는 광학 요소(10), 투명 매질(14), 전반사면을 갖는 광로 선택 광학 요소(12)가 이 순서로 적층된 구조체이다. 이 전반사 광학부재는 광로 선택 광학 요소(12)의 광로 전방의 전반사면에서 입사광이 전반사 되도록 광로를 변화시키는 광학 요소(12)가 설계되어 있다.
이 전반사 광학부재에 의하면, 입사광이 조사되면, 광로 변화 광학 요소(10)에 의해서 입사광의 광로가 변경된다. 이것에 의해, 전반사면에서 전반사하는 입사각 성분으로 된 광은 광로 선택 광학 요소(12)에 도입되어 전반사면에서 전반사된다. 한편, 이외의 입사각 성분의 광은 광로 선택 광학 요소(12)에 도입되지 않고 선택적으로 반사되어, 입사광 도입측으로 되돌아 간다.
또한, 도 24의 (c)에 나타내는 전반사 광학부재는, 도 24의 (b)에 나타내는 전반사 광학부재의 광로 전방에 투명 매질(14)의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 투명 매질(24)를 설치한 구성으로 되어 있다. 이 경우는 광로 선택 광학 요소(12)가 투명 매질(24)의 광로 전방의 전반사면에서 입사광을 전반사하도록 설계되어 있다.
이 전반사 광학부재에 의하면, 광로 변화 광학 요소(10)와 투명 매질(14)을 통해서 입사광이 도입되면, 광로 선택 광학 요소(12)에 도입된 입사광이 투명 매질(24)의 광로 전방의 전반사면에서 전반사 된다. 한편, 이외의 입사각 성분의광은 광로 선택 광학 요소(12)에 도입되지 않고 선택적으로 반사되어, 입사광 도입측으로 되돌아간다.
다음에, 도 24의 (d)에 나타내는 전반사 광학부재는 입사광의 도입측으로부터, 광로를 선택하는 광학 요소(12), 전반사면을 갖는 투명 매질(14)이 이 순서로 적층된 구조체이다. 이 전반사 광학부재는 투명 매질(14)의 광로 전방의 전반사면에서 입사광이 전반사 되도록 광로 선택 광학 요소(12)가 설계되어 있다. 이 전반사 광학부재에 의하면, 입사광이 조사되면, 광로 선택 광학 요소(12)에 의해서, 투명 매질(14)의 전반사면에서 전반사하는 입사 각도 성분의 광만이 이 광학 요소(12)를 투과한다. 이 투과광이 전반사면에서 전반사된다. 한편, 전반사 조건을 만족하지 않는 입사광 성분은 광로 선택 광학 요소(12)에서 선택적으로 반사되어, 실질적으로 전반사 광학부재를 투과하지 않는다.
다음에, 도 24의 (e)에 나타내는 전반사 광학부재는 입사광의 도입측으로부터 광로 변화 광학 요소(10), 광학적 접착층으로 되는 광학적 접속 매질(18), 광로 선택 광학 요소(12), 투명 매질(14)이 이 순서로 적층된 구조체이다. 이 전반사 광학부재에 의하면, 입사광이 조사되면, 광로 변화 광학 요소(10)에 의해서 투명 매질(14)의 전반사면에서 전반사하는 입사 각도 성분으로 광로가 변화된다. 이 광로가 변화된 광이 전반사면에서 전반사한다. 한편, 전반사 조건을 만족하지 않는 입사광 성분은 광로 선택 광학 요소(12)에서 선택적으로 반사되어, 실질적으로 전반사 광학부재를 투과하지 않는다.
다음에, 도 24의 (f)에 나타내는 전반사 광학부재는 입사광의 도입측으로부터 투명 매질(14), 광로 변화 광학 요소(10), 광로 선택 광학 요소(12)가 이 순서로 적층된 구조체이다. 이 전반사 광학부재에 의하면, 입사광이 조사되면, 투명 매질(14)을 통하여 광로 변화 광학 요소(10)에 입사광이 도입되어, 광로 변화 광학 요소(10)에 의해서 전반사면에서 전반사하는 입사 각도 성분으로 광로가 변화된다. 한편, 전반사 조건을 만족하지 않는 입사광 성분은 광로 선택 광학 요소(12)에서 선택적으로 반사되어, 실질적으로 전반사 광학부재를 투과하지 않는다.
상기 각구성의 전반사 광학부재라도, 상술한 각 실시 형태의 전반사 광학부재에 적용할 수 있고, 같은 작용 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 전반사 광학부재의 층 구성은 상술의 주지에 따른 기능을 발휘하면, 특별히 한정되는 것이 아니다.
여기서, 전반사 광학부재의 구체적인 하나의 구성예와, 그 구성예에서의 광학부재의 분광 투과율을 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 설명한다.
도 25에 전반사 광학부재의 하나의 구성예를 나타냈다. 이 경우의 전반사 광학부재는 입사광의 도입측으로부터, 광로 변화 광학 요소로서의 광확산 필름(굴절율 n=1.5), 광로 선택 광학 요소로서의 유전체 다층막, 유리 기판(굴절율 n=1.5)의 순서로 적층되어 있다. 또한, 유리 기판의 광로 전방에는 공기(굴절율 n=1.O)가 존재한다.
유전체 다층막은 TiO2/SiO2/----/SiO2/TiO2되는 29층 구조의 다층막으로 하고, 각 층의 광학두께는 1/4λ(단, 파장(λ) =440 [nm])로 설정했다. 또한, 입사광은 도 26에 나타내는 파장(λ)=350~400 [nm]의 UV광원을 사용했다. 또한, 이 경우의 전반사 임계각(θc)는 약 40 [deg]가 된다.
상기 조건 하에서 광학부재(유전체 다층막)의 분광 투과율을 구한 결과, 도 27, 도 28에 나타내는 결과를 얻었다. 도 27은 파장(λ)에 대한 분광 투과율(T)의 변화를 입사각(θ)마다 나타낸 그래프이고, 도 28은 입사각(θ)에 대한 분광 투과율(T)을 파장(λ)마다 나타낸 그래프이다.
도 27의 (a)에 나타내는 바와 같이, 입사각(θ)이 0 [deg]의 경우는 UV광원의 파장 영역에서의 분광 투과율(T)이 대략 O[％]로 되어 있어, 광학부재로부터 투과되지 않는다. 또한, 도 27의 (b)에 나타내는 입사각(θ)이 전반사 임계각(θc)의 직전으로 되는 40 [deg]의 경우도 광학부재로부터 투과되지 않는다. 도 27의 (c)에 나타내는 입사각(θ)이 70 [deg]의 경우는 P파에 대해서는 대략 100 [％]의 분광 투과율이고, S파에 대해서는 대략 0[％]로 되어, P파와 S파의 평균은 약 50[％]으로 되어 있다.
또한, 도 28의 (a)에 나타내는 바와 같이, UV광원의 파장 영역에서의 단파장 측의 파장(λ) =350 [deg]의 경우는 P파에 대해서는 입사각(θ)이 약 50 [deg]이상부터 분광 투과율이 향상되고, 도 28의 (b)에 나타내는 중심 파장(λ)=375 [nm]의 경우는 입사각(θ)이 약 46 [deg]이상부터 분광 투과율이 향상되고, 또한, 도 28의 (c)에 나타내는 장파장측의 파장(λ)=400 [nm]의 경우는 입사각(θ)이 약 42 [deg] 이상부터 분광 투과율이 향상되고 있다.
따라서, P파를 사용하여 광학부재에서 전반사시키거나, 광학부재의 제조건을 변경하여 S파의 분광 특성을 P파에 가까운 특성으로 적당히 설계함으로써, UV광원의 파장 영역의 입사광을, 그 입사각(θ)이 전반사 임계각(θc)이하의 각도에서는 선택적으로 반사시키고, 또한, 전반사 임계각(θc)보다 큰 각도에서는 투과시킬 수 있다. 이것에 의해, 광학부재의 유전체 다층막을 광로 선택 광학 요소(S)로서 실용상 충분히 기능하게 할 수 있다.
또한, 상기에서는 유전체 다층막의 예로서 TiO2/SiO2로 되는 다층막을 들었지만, 대상으로 하는 광의 파장에 대해서 적당히 그 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어,
가시광, 적외선에 대해서는
·높은 굴절율 재료(굴절율이 약 1.8이상의 재료)로서,
TiO2, CeO2, Ta2O5, ZrO2, Sb2O3, HfO2, La2O3, NdO3, Y2O3, ZnO, Nb2O5
·비교적 높은 굴절율 재료(굴절율이 약 1.6~1.8의 재료)로서,
MgO, A12O3, CeF3, LaF3, NdF3
·낮은 굴절율 재료(굴절율이 약 1.5이하의 재료)로서,
SiO2, AlF3, MgF2, Na3AlF6, NaF, LiF, CaF2, BaF2
등이 바람직하다.
자외선에 대해서는
·높은 굴절율 재료(굴절율이 약 1.8이상의 재료)로서,
ZrO2, HfO2, La2O3, NdO3, Y2O3또는
TiO2, Ta2O5, ZrO2
(단, 광의 파장이 약 360nm~400nm)
·비교적 높은 굴절율 재료(굴절율이 약 1.6~1.8의 재료)로서,
MgO, A12O3, LaF3, NdF3
·낮은 굴절율 재료(굴절율이 약 1.5이하의 재료)로서,
SiO2, AlF3, MgF2, Na3AlF6, NaF, LiF, CaF2등이 바람직하다.
본 발명을 특정의 실시형태를 참조하여 상세하게 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 다양한 변경이나 수정을 할 수 있음은 당연하다.
본 출원은 2001년 7월 19일 일본 특허 출원(특원 20O1-220044)에 기초한 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 받아들여진다.
본 발명에 의한 광변조 소자에 의하면, 광변조 소자에 면상으로 도입한 입사광 중 적어도 일부가 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사하는 한편, 입사광 도입측의 반대측으로부터는 입사광이 실질적으로 출사하지 않는 특성을 갖는 전반사 광학부재와, 이 전반사 광학부재의 전반사면측에 배설되는 동시에 전반사면으로부터 입사광을 선택적으로 결합시켜 취출하는 광결합 요소를 구비함으로써, 면상으로 도입된 입사광이 전반사 광학부재에 조사되었을 때에, 입사광이 전반사 광학부재 내에 도입되고, 그 도입된 입사광 중 적어도 일부가 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사하는 한편, 입사광 도입측의 반대측으로부터는 입사광이 실질적으로 출사되지 않는다. 이 전반사 광학부재의 전반사면에 입사광을 결합시켜 취출하는 광결합 요소를 선택적으로 근접 배치함으로써, 근접 배치된 광결합 요소에 의해 전반사광이 취출되어 입사광 광로 전방으로 출사된다. 이것에 의해, 면상의 입사광을 면상인 채로 고효율로 광변조 소자에 도입할 수 있고, 광결합 요소의 근접 배치 상태에 따른 선택적인 광변조를 행할 수 있다. 따라서, 도파로나 도광판을 사용한 표시 방식을 사용하지 않고, 에너지 효율을 높인 광변조가 가능해진다.
본 발명에 의한 표시 소자는 상기 광변조 소자와 평면 광원을 구비한다. 이러한 구성으로 인하여, 평면 광원으로부터 출사되는 입사광을 광변조 소자에 도입하면, 광변조 소자의 전반사 광학부재에 도입된 광을 광결합 요소에 의해 광변조하여 광로 전방으로 선택적으로 출사할 수 있다. 이것에 의해, 고효율이고 또한 고품위로 소망하는 표시를 행할 수 있다.
본 발명에 의한 노광 소자는 상기 표시 소자를 사용하여, 미리 설정된 노광 데이터에 의거하여 광변조함으로써, 노광 대상을 향해 선택적으로 광이 출사되어, 노광 대상에 노광 처리를 실시할 수 있다.

Claims (62)

  1. 평면 형상의 광변조 소자로서,
    상기 광변조 소자에 도입된 입사광 중 적어도 일부는 상기 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사하고, 또한 상기 입사광 도입측의 반대측으로부터는 상기 입사광이 실질적으로 출사하지 않는 특성을 갖는 전반사 광학부재와,
    상기 전반사 광학부재의 전반사면측에 배설되는 동시에 상기 전반사면으로부터 입사광을 선택적으로 결합하여 취출하는 광결합 요소를 구비한 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사광이 면상의 광인 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광결합 요소가 상기 전반사면의 입사광 전반사 조건을 변화시킴으로써 입사광을 취출하는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소가 전기 기계 동작에 의해 상기 전반사 광학부재의 전반사면에 근접 가능하게 지지된 가요 박막(flexible thin film)으로 되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전기 기계 동작이 정전기력을 구동원으로 한 동작인 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소가 전계의 인가에 의해 광학 특성을 변화시키는 액정을 포함하는 층으로 되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소가 상기 전반사 광학부재 상에 1차원 어레이 형상으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소가 상기 전반사 광학부재 상에 2차원 어레이 형상으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광결합 요소가 패시브 매트릭스 구동 수단에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소가 취출된 광의 광로를 변화시키는 광로 변경 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광로 변경 수단이 굴절에 의해 상기 취출된 광의 광로를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광로 변경 수단이 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 또는 굴절율 분포 렌즈체로 되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 광로 변경 수단이 회절에 의해 상기 취출된 광의 광로를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광로 변경 수단이 체적 홀로그램, 위상 변조형 회절 격자, 또는 진폭변조형 회절 격자로 되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 광로 변경 수단이 광확산 또는 광산란에 의해 상기 취출된 광의 광로를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광로 변경 수단이 다공질체, 이종 굴절율 분산체 또는 분포체, 또는 표면에 요철을 갖는 광확산체 또는 광산란체의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소가, 취출된 광의 특정 파장 성분을 흡수하여 출사하는 특정 파장 성분 흡수 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  18. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소가, 취출된 광을 받아 여기(excitation) 발광하는 형광체를 갖는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  19. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소에 의해 취출된 출사광을 받아 여기 발광하는 형광체를 갖는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전반사 광학부재는 그 전반사 광학부재 내에 광로를 변화시키는 광학 요소를 가지며, 상기 전반사 광학부재에 도입된 면상의 입사광 중 적어도 일부는 광로를 변화시키는 광학 요소에 도입되며, 이 도입된 입사광의 실질적인 모두는 상기 전반사 광학부재에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  21. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전반사 광학부재는 그 전반사 광학부재 내에 광로를 선택하는 광학 요소를 가지며, 상기 전반사 광학부재에 도입된 면상의 입사광 중 적어도 일부는 광로를 선택하는 광학 요소에 도입되며, 이 도입된 입사광의 실질적인 모두는 상기 전반사 광학부재에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  22. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전반사 광학부재는 그 전반사 광학부재의 두께 방향의 입사광 도입측으로부터, 광로를 변화시키는 광학 요소와, 광로를 선택하는 광학 요소를 이 순서로가지며, 상기 광로를 변화시키는 광학 요소로 면상의 입사광을 도입했을 때에, 도입된 입사광 중 적어도 일부는 광로를 선택하는 광학 요소에 도입되며, 이 도입된 입사광의 실질적인 모두는 상기 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소와 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 광학적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소와 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 굴절율이 1보다 큰 매질을 통하여 광학적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  25. 제20항, 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광변조 소자는 전반사 광학부재의 일부를 구성하는 투명 매질을 구비하며, 그 투명 매질의 광로 전방에 상기 광로를 변화시키는 광학 요소가 배치된 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  26. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광변조 소자는 전반사 광학부재의 일부를 구성하는 투명 매질을 구비하며, 그 투명 매질의 광로 전방에 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 배치된 것을 특징으로 하는 광변조 소자
  27. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광변조 소자는 전반사 광학부재의 일부를 구성하는 투명 매질을 구비하고, 그 투명 매질의 광로 전방에 상기 광로를 변화시키는 광학 요소와 상기 광로를 선택하는 광학 요소가 이 순서로 배치된 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  28. 제20항, 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소는, 적어도,
    sinθt>nw/nt
    (여기서, nt는 광로를 변화시키는 광학 요소의 평균 굴절율, nw는 전반사 계면의 광로 전방측에 배치된 매질의 굴절율, θt는 광로를 변화시키는 광학 요소의 매질내를 진행하는 광의 각도),
    의 조건을 만족하는 각도(θt)를 갖는 광 성분을 포함하는 광을 전방으로 출력하는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  29. 제20항, 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소는 굴절에 의해 광로를 변화시키는 것을특징으로 하는 광변조 소자.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소는 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 및 다른 굴절율이 분포된 이종 굴절율 분포체의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  31. 제20항, 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소는 회절에 의해 광로를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소는 체적 홀로그램, 위상 변조형 회절 격자, 및 진폭 변조형 회절 격자의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  33. 제20항, 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소는 광확산에 의해 광로를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소는 다공질체, 이종 굴절율 분포체 또는 분산체, 및 표면에 요철을 갖는 확산체 또는 산란체의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  35. 제20항, 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 변화시키는 광학 요소는 광반사에 의해 광로를 변화시키는 것을 특징으로 광변조 소자.
  36. 제21항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 선택하는 광학 요소는, 그 광학 요소로부터 출사되는 투과광의 실질적인 모두가 상기 광로를 선택하는 광학 요소의 입사광 광로 전방에 배치된 층의 계면에서 또는 상기 광로를 선택하는 광학 요소의 입사광 광로 전방의 계면에서 전반사 임계각보다 큰 각도 성분을 갖고, 다른 각도를 갖는 입사광 성분은 선택적으로 반사되어 투과되지 않은 성질을 갖는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  37. 제21항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 선택하는 광학 요소는
    sinθs>nw/ns
    (여기서, ns는 광로를 선택하는 광학 요소의 평균 굴절율, nw는 전반사 계면의 광로 전방 상에 배치된 매질의 굴절율, θs는 광로를 선택하는 광학 요소의 매질내를 진행하는 광의 각도.)
    의 조건을 만족하는 각도(θs)를 갖는 광을 실질적인 모두가 투과하는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  38. 제21항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 선택하는 광학 요소가 입사광의 파장 영역에 대해서 선택적으로 반사하는 기능을 갖고, 또한 상기 광로를 선택하는 광학 요소로의 입사광의 입사각이 그 광학 요소의 면에 대해서 작아짐에 따라서, 선택적으로 반사되는 입사광의 파장이 단파장 측으로 쉬프트 하는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  39. 제21항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    입사광 광로 전방의 전반사 계면으로의 입사각을 전반사 임계각 이하로 되도록 상기 광로를 선택하는 광학 요소로의 입사광의 입사각을 조정할 때, 상기 광로를 선택하는 광학 요소는 상기 입사광의 실질적인 모두를 선택적으로 반사하는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  40. 제21항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 선택하는 광학 요소는 유전체 다층막을 포함하는 광간섭 필터인 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  41. 제21항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로를 선택하는 광학 요소는 코레스테릭 액정 또는 체적 홀로그램을 포함하는 브래그 반사 필터인 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  42. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전반사 광학부재는 상기 광변조 소자내에 입사광 도입 광학 요소를 갖고, 그 입사광 도입 광학 요소에 면상의 입사광을 도입했을 때에, 도입된 입사광의 실질적인 모두가 상기 광변조 소자에 의해 구성된 층의 계면에서 전반사에 의해 반사되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 입사광을 도입하는 광학 요소는 면상으로 배열된 프리즘 어레이인 것을 특징으로 하는 상기 제 42항기재의 광변조 소자.
  44. 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전반사된 입사광의 실질적인 모두가 상기 전반사 광학부재의 입사광 도입측으로 되돌아오는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  45. 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전반사 광학부재를 구성하는 층은 상기 입사광의 파장 영역에 대해서흡수가 실질적으로 없는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  46. 상기 제1항~제45항의 어느 한 항 기재의 광변조 소자와, 그 광변조소자에 입사광을 도입하는 광원을 구비한 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 입사광은 특정의 입사각 범위를 갖는 코리메이트 광인 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  48. 제46항에 있어서,
    상기 입사광은 복수의 입사각을 갖는 코리메이트 광인 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  49. 제46항에 있어서,
    상기 입사광은 임의 입사각을 갖는 확산광인 것을 특징으로 하는 상기 표시 소자.
  50. 제46항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소 또는 그 광로 전방에 형광체를 갖고, 상기 전반사 광학부재의 전반사면과 상기 광결합 요소 사이에, 상기 형광체의 발광 파장 성분을 반사하는 동시에 상기 입사광의 파장 성분을 투과하는 광학 필터가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  51. 제46항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소 또는 그 광로 전방에 상기 형광체를 갖고, 상기 형광체의 광로 전방에 상기 형광체의 발광 파장 성분을 투과하는 동시에, 상기 입사광의 파장 성분을 차광하는 광학 필터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  52. 제46항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소 또는 그 광로 전방에 상기 형광체를 갖고, 상기 형광체의 광로 전방에 발광 파장 영역의 광을 흡수하는 광학 필터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  53. 제50항에 있어서,
    상기 광학 필터는 유전체 다층막을 포함하는 광간섭 필터인 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  54. 제50항에 있어서,
    상기 광학 필터는 코레스테릭막을 포함하는 브래그 반사 필터인 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  55. 제46항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사광의 주파장은 350nm~400nm인 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  56. 제46항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사광의 주파장은 400nm~500nm인 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  57. 제50항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형광체는 가시광을 발광하는 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  58. 제57항에 있어서,
    상기 형광체는 적색, 녹색, 청색으로 발광하는 발광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  59. 제46항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평면 광원은 상기 전반사 광학부재의 내부에 배치되는 광원이고 또한 상기 입사광은 상기 광원으로부터 출사되는 광인 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  60. 제46항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사광은 상기 전반사 광학부재의 외부로부터 입사되는 것을 특징으로하는 표시 소자.
  61. 제46항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표시 소자의 입사광 도입측과 대면하여 배치되고, 상기 표시 소자에 도입된 후에 그 표시 소자에 의해 반사된 입사광을 표시 소자측으로 재투입하는 반사체를 갖는 것을 특징으로 하는 표시 소자.
  62. 제46항 내지 제61항 중 어느 한 항 기재의 표시 소자를 사용하여, 노광 데이터에 의거하여 광변조하여 노광 대상을 향해 선택적으로 광을 출사하는 것을 특징으로 하는 노광 소자.
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