JPH07509327A - テーパ付き導波管のアレイを備えた直視型表示装置 - Google Patents

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】 発明の背景 １、　技術分野 本発明は、たとえば、液晶表示装置などの直視型表示装置に関する。詳細にいえ ば、本発明はテーパ付きの光導波管のアレイを組み込み、光透過率を比較的高（ し、コントラストを高くし、かつ視角を大きくするような表示装置に関する。

２、　背景技術 たとえば、投影型表示装置、オフ・スクリーン型表示装置、および直視型表示装 置などの表示装置は周知である。たとえば、ヨーロッパ特許第０５２５７５５　 Ａ１号、米国特許第４．６５９．１８５号、同第５．１３２．８３０号、同第５ ．１５９．４７８号、日本国特許第２４５１０６号および同第４２２４１号参照 。このような表示装置はコンピュータの端末装置、航空機のコックピット表示装 置、自動車の計器パネル、テレビジョン、およびテキスト、グラフィックスまた はビデオの情報をもたらすその他の装置を始めとする広範囲にわたる用途に使用 されている。このような表示装置は容積が小さく、重量が軽く、しかも消費電力 が少ないという利点から、従来の陰極線管表示装置に置き換わるものである。

たとえば、液晶表示装置などの周知の直視型表示装置には多くの固有の欠点があ る。たとえば、視角が高い（表示装置の表面に対して垂直な方向からの角度が大 きい）場合、このような表示装置のコントラストは低くなってしまい、また視角 が変わると、視感色度が変化する。

発明の要約 本発明は、 （ａ）光を発生する光発生手段と、 （ｂ）該光発生手段からの光を変調して、画像を形成する変調手段と、 （ｃ）前記変調手段の光出力表面に隣接して配置された前記変調手段からの前記 画像を表示する画像表示手段であって、平坦な基板上にテーバ付き光導波管のア レイを備えており、該先導波管の各々のテーバ付き端部が前記基板から外方へ延 びており、該基板に隣接した光入力面と該光入力面から離隔した光出力面を有し ている画像表示手段とを備えており、（ｉ）各導波管の光入力面の面積が光出力 面の面積よりも大きく、前記アレイの隣接する導波管の光入力面の間の中心間距 離が光出力面の間の中心間距離と等しく、その結果導波管の出力面から出る光の 角分布が導波管に入る光の角分布よりも大きくなっており、 （１１）前記アレイの導波管が該導波管の屈折率よりも低い屈折率の間隙領域に よって分離されていることを特徴とする直視型フラット・パネル表示装置に関す る。

本発明の好ましい実施例において、表示装置はさらに、（ｄ）前記光発生手段が 発生する光を偏光する前記光発生手段と前記変調手段との間に配置された入力光 偏光手段と、（ｅ）前記変調手段から出る光を偏光する前記変調手段と前記画像 表示手段との間に配置された出力光偏光手段とを備えている。

本発明の他の好ましい実施例において、本発明のフラット・パネル表示装置はさ らに、 （ｆ）前記変調手段の入力偏光器の光出力面に隣接して配置された前記発生手段 からの光を平行とする光平行化手段であって、平坦な基板上のテーバ付き光導波 管のアレイを備えており、各導波管のテーバ付き端部が前記基板から外方へ延び ており、前記基板に隣接した光出力面と前記光出力面から離隔した光入力面を有 している光平行化表示手段を備えており、（１）各導波管の光入力面の面積が光 出力面の面積よりも小さく、前記アレイの隣接する導波管の光入力面の間の中心 間距離が光出力面め間の中心間距離と等しく、非平行照明システムからの発散光 がその出力表面から出る際に部分的に平行化され、（１１）前記アレイの導波管 が該導波管の屈折率よりも低い屈折率の間隙領域によって分離されていることを 特徴としている。

本発明の直視型表示装置は周知の装置を凌駕するいくつかの利点を示す。たとえ ば、本発明の装置はコントラストが比較的高く、視角の関数としての視感色度の 変化が少ない。

図面の簡単な説明 本発明の以下の詳細な説明および添付図面を参照することにより、本発明を完全 に理解することができ、また他の利点が明らかとなろう。添付図面において、 第１図は、本発明にしたがって構成された好ましい液晶表示装置の実施例の断面 図である。

第２図は、側壁が直線状のテーバ付き導波管のアレイの展開断面図である。

第３図は、断面が矩形のテーバ付き導波管のアレイの斜視図である。

第４図は、断面が円形のテーバ付き導波管のアレイの斜視図である。

第５図は、側壁が直線状の単一のテーバ付き導波管の断面図である。

第６図は、側壁が直線状で、テーパ角が４．６″の単一のテーバ付き導波管の理 論非結像光学特性を示す図である。

第７図は、側壁が直線状で、テーパ角が８°の単一のテーバ付き導波管の理論非 結像光学特性を示す図である。

第８図は、側壁が湾曲したテーバ付き導波管のアレイの展開断面図である。

第９図は、導波管の間の間隙領域が光吸収材を含んでいる本発明の好ましい実施 例の図である。

第１０図は、導波管アレイの出力面が透明な保護層で覆われている本発明の好ま しい実施例の図である。

第１１図は、導波管アレイの出力面が透明なレンズのアレイが組み込まれた透明 な保護層で覆われている本発明の好ましい実施例の図である。

第１２図は、本発明のテーバ付き導波管アレイを形成する好ましい行程を示す図 である。

第１３図は、本発明にしたがって構成された液晶表示装置の他の実施例の断面図 である。

第１４図は、本発明にしたがって構成された液晶表示装置の他の実施例の断面図 である。

第１５図は、本発明にしたがって構成された液晶表示装置の他の実施例の断面図 である。

第１６図は、本発明にしたがって構成された液晶表示装置の他の実施例の断面図 である。

第１７図は、テーバ付き導波管の平行化アレイの好ましい実施例の図である。

発明の好ましい実施例 本発明は表示される画像が表示画面の近接視で生成されるタイプの直視型装置に 関する。このような装置はガス放電、プラズマ・パネル、エレクトロルミネッセ ンス、発光ダイオード、ダイオード・レーザ、真空蛍光およびフラット陰極線管 などの発光型表示装置、ならびに液晶、エレクトロクロミズム、懸濁コロイド、 電気活性物質および電気機械などの非発光型表示装置を含んでいる。本発明の装 置は低コントラストおよび高視角における、すなわち表示装置の表面に垂直な方 向からの角度が大きい場合の視感色度の変化などの周知の直視型フラット・パネ ル画像表示装置の欠点のすべであるいは一部を除去する改善された表示手段を有 している。

本発明の好ましい実施例は上記の図面を参照することによって、当分野の技術者 によく理解されるであろう。図面に示す本発明の好ましい実施例は、網羅的なも のでも、開示した形態そのものに本発明を限定するものでもない。これらの実施 例は本発明の原理、ならびにその用途および実用性を記述または説明して、当分 野の技術者が本発明をもっともよく利用できるようにするために選ばれたもので ある。

本発明の表示装置の好ましい実施例の１つを、第１図に符号１０で示す。表示装 置は光発生手段１２、光学的反射ないし拡散要素１４、光学的入力光偏光手段１ ６、変調手段１８、光学的出力光偏光手段２０および偏光器２０の出力面に接触 して配置された画像表示手段２２で構成されている。画像表示手段２２は基板２ ４、接着促進層２６および間隙領域３３によって分離されたテーバ付き導波管２ ８のアレイからなっている。光発生手段１２、拡散手段１４、入力光偏光手段１ ６、変調手段１８および出力光偏光手段２０の正確な構成は重要なものではなく 、広範囲に変化できるものであって、当分野で従来から使用されている要素を本 発明の実施に用いることができる。有効な光発生手段１２の例としては、レーザ 、蛍光管、発光ダイオード、白熱光、日光などがある。

有効な反射ないし拡散手段１４としては、金属製反射器、金属コーティング・ガ ラス鏡、蛍光スクリーン、二酸化チタンなどの白色の表面でコーティングされた 反射器などがある。

有効な入力光偏光手段１６および出力光偏光手段２０の例としては、プラスチッ ク・シートの偏光材料などがある。有効な変調手段１８の例としては、液晶セル 、エレクトロクロミック変調器、および鉛ジルコン・ランタン・チタン酸塩（Ｐ ＺＬＴ）変調器がある。プラズマ・パネル表示装置などの発光型表示装置の場合 、光発生手段１２と光変調手段１８を機能的に組み合わせることができる。本発 明を実施するのに使用される好ましい変調手段１８は、液晶セルである。液晶セ ル１８の液晶材料はきわめて広範囲にわたることができるものであり、ツィステ ッド・ネマティック（ＴＮ）材料、スーパー・ツィステッド・ネマティック（Ｓ ＴＮ）材料およびポリマ分散液晶（ＰＤＬＣ）材料を含むがこれらに限定される ものではないいくつかのタイプのうちの１つでよい。

画像表示手段２２の構造とその配置は本発明の装置によってもたらされる改善さ れたコントラストならびに視角および色度にとってクリティカルなものである。

第１図において、画像表示手段２２は偏光手段２０に「近接」して配置されてお り、偏光手段２０自体は変調手段１８に近接している。本明細書で使用する場合 、「近接」とは密着または近接して配置され（好ましくは、約１インチ以内、さ らに好ましくは、約０．７５インチ以内最も好ましくは、約０．５インチ以内で あり、特別な実施例においては約０．２５インチ以内である）、米国特許第１、 ５７３．７６４号、同第４．６８８．０９３号、同第４．９５５．９３７号およ び同第５．００５．９４５号に記載されているような投影システムにおけるよう に光をある要素から他の要素へ空間を通して「投射」する必要がないようにする ことを意味する。第１図の装置は偏光手段２０を含んでおり、このような偏光手 段２０が含まれていない場合、画像表示手段２２は変調手段１８に近接して配置 され第２図は画像表示手段２２の展開断面図を示す。画像表示手段は基板２４、 接着促進層２６およびテーパ付き導波管２８の７レイで構成されている。テーパ 付き導波管２８は光入力面３０、光出力面３１、側壁３２を有しており、該導波 管の屈折率よりも屈折率が低い間隙領域３３によって分離されている。

各テーバ付き導波管２８の入力面領域３ｏは接着促進層２６に隣接して配置され ており、がっ各導波管２８の出力面領域３１よりも大きく、これによって、第１ 図および２図の実施例において、テーパ付き構造がもたらされる。導波管２８の 構造および配置はクリティカルである。第２図に示すように、各導波管２８の光 入力面３ｏの面積は、先出方面３１の面積よりも大きく、前記アレイの隣接する 導波管２８の入出力面３ｏの間の中心間距離は、光出力面３１の間の中心間距離 と等しいが、はぼ等しいので、導波管２８の出力面３１がら出る光の角分布は、 導波管２８の入力面３０へはいる光の角分布よりも大きくなる。

変調手段１８によって形成される画像の解像度が、画像表示手段２２を横切る場 合に劣化しないようにするためには、隣接する導波管２８の光入力面３１の間の 中心間距離が、変調手段１８の隣接する画素の間の中心間距離以下であることが 好ましい。第２図において、側壁３２は直線状のものとして示されている。しか しながら、側壁３２の形状はクリティカルなものではなく、側壁は直線状であっ ても、湾曲していてもよい。

画像表示手段２２の表面に平行な面におけるテーパ付き導波管２８の断面は、正 方形、矩形、任意の正多角形、円形または楕円形を含む任意の形状でかまわない 。第３図は断面が矩形のテーパ付き導波管２８で構成されたアレイの斜視図であ る。第４図は断面が円形のテーパ付き導波管２８で構成されたアレイの同様な図 である。導波管２８全体の形状の例としては、直円錐、直情円錐、真正角錐、直 矩形錐があり、これらはそのままであっても、台形であってもよい。

テーパ付き導波管２８のアレイの光学的特性、すなわち視角の関数としてのコン トラストおよび色度の変化は、個々の導波管２８の形状、大きさおよび物理的配 置によって決定される。

第２図において、隣接する導波管２８の光入力面３０の間の中心間距離は、隣接 する導波管２８の光出力面３１の間の中心間距離と等しいか、はぼ等しい。した がって、入力面３０においてアレイに入射する光学的画像はアレイを横切っても 拡大あるいは縮小されることがない。

第２図の導波管アレイ２２の基板２４は約４００ないし約７００ｎｍの波長範囲 内の光に対して透明である。基板の屈折率は約１．４５ないし約１．６５の範囲 である。もっとも好ましい屈折率は約１，５０から約１，６０である。基板は任 意の透明な固体型である。好ましい材料は透明なポリマ、ガラスおよび石英ガラ スである。これらの材料の望ましい特性は装置の典型的な作動温度における機械 的および光学的安定性を含んでいる。ガラスと比較した場合、透明ポリマは構造 上の融通性という付加的な利点を有しており、これによって、表示手段２２を大 形のソートに形成し、切断して、液晶表示装置の出力偏光器に積層することが可 能となる。基板２４にもっとも好ましい材料はガラスとポリエステルである。

第２図、第３図および第４図に示すアレイのテーパ付き光導波前２８は透明な固 体で形成されており、導波管の間に屈折率が高い間隙領域３３を有している。入 力面３０（第２図に示した）から導波管２８に入り、その後臨界角（スネルの法 則によって規定される）よりも大きい角度で導波管の側面３２へ入射する光線は 、側面３２により１回または複数回の全内面反射を受け、はとんどの場合、出力 面３１を通って導波管２８から出力される。側面３２を通過したり、入力面３０ へ反射して戻される光線はわずかである。導波管２８の作動機能は、レンズが全 内面反射を利用しないという点でレンズとは異なっている。

出力面３１の面積が入力面３０の面積よりも小さいテーパを導波管２８が有して いる場合、出力面３１から出る光の角分布は、入力面３０へ入る光の角分布より も大きくなる。変調手段１８の出力面に配置されたテーパ付き導波管２８のアレ イを有する画像表示手段２２は、変調手段１８からの出力光の角分布を変更し、 変調手段１８からの画像を大きい角度で見ることができるようにする。各導波管 ２８の出力面３１の面積が入力面３０の面積の約１％ないし約５０％であること が好ましい。出力面３１の面積が入力面の面積の約３ないし約２５％であること が、さらに好ましい。出力面３１の面積が入力面３０の面積の約４ないし約１２ ％であることが、もっとも好ましい。

画像表示手段２２の全体的な光のスループットを高くするために、すべての導波 管の人力面３０の合計面積がアレイの基板２４の合計面積の４０％よりも大きい ことが好ましい。画像表示手段２２のすべての導波管の入力面３ｏの合計面積が アレイの基板２４の合計面積の６０％よりも大きいことが、より好ましい。画像 表示手段２２のすべての導波管の入力面３０の合計面積が７レイの基板２４の合 計面積の８０％よりも大きいことが、もっとも好ましい。

テーパ付き導波管２８は任意の透明な固体ポリマ材料で構成することができる。

好ましい材料は屈折率が約１．４５から約１．６５のものであり、ポリメチルメ タクリレート、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリスチレン、およびアクリ ル・モノマを光重合させることによって形成されるポリマが含まれる。

より好ましい材料は屈折率が約１，５０から約１，６０のものであり、ウレタン アクリレートとメタクリレート、エステルアクリレートとメタクリレート、エポ キシアクリレートとメタクリレート、（ポリ）エチレングリコールアクリレート とメタクリレート、および有機モノマを含有しているビニルで構成されたアクリ レートモノマの混合物の光重合によって形成されるポリマが含まれる。有効なモ ノマはメチルメタクリレート、ｎ−ブチルアクリレート、２−エチルへキシルア クリレート、イソデシルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、２ −ヒドロキシプロピルアクリレート、シクロへキシルアクリレート、１．４−ブ タンジオールジアクリレート、エトキシル化ビスフェノールＡジアクリレート、 ネオペンチルグリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート 、ジエチレングリコールジメタクリレート、１．６−ヘキサンジオールジアクリ レート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリ アクリレート、およびペンタエリスリトールテトラアクリレートを含む。特に有 効なものはモノマの少なくとも１つがジアクリレートやトリアクリレートなどの 多官能モノマであり、反応フォトポリマ内に架橋網を生じる混合物である。本発 明方法で使用するのにもつとも好ましい材料はエトキシレーテッドビスフェノー ルＡジアクリレートとトリメチロールプロパントリアクリレートの混合物を光重 合することによって形成される架橋ポリマである。もっとも好ましい材料の屈折 率は約１，５３から約１．５６までの範囲である。透明固体材料の屈折率が導波 管要素全体にわたって一様であることは必須ではない。屈折率に条線または散乱 粒子または分域などの不均一部分が存在するようにすることが有利な場合もある 。

これはこれらの不均一部分が導波管アレイの出力からの光の発散をさらに大きく するからである。

導波管２８の間の間隙領域３３の屈折率は導波管の屈折率よりも小さいものでな ければならない。間隙領域に好ましい材料には屈折率が１．００の空気、および 屈折率が約１，３０から約１．４０の範囲であるフッ素ポリマ材料がある。もつ とも好ましい材料は空気である。

第２図に示すテーパ付き導波管２８のアレイの接着促進層２６は透光性で、導波 管２８、特に光架橋アクリレートモノマ材料などのポリマで形成された導波管を 基板２４に強固に接着させる有機材料である。このような材料は当分野の技術者 に周知のものであるから、本明細書において詳細には説明しない。

たとえば、基板２４がガラスで、導波管２８がアクリレートモノマ材料を光架橋 することによって形成されている場合、適切な接触促進層は３−（トリメトキシ シリル）プロピルメタクリレートまたは３−アクリロキシプロピルトリクロシラ ンを含むいくつかのタイプのシラン化合物とガラスの表面を反応させることによ って形成できる。接着促進層２６の厚さはクリティカルなものではなく、広範囲 にわたって変化させることができる。

通常、層の厚さは従来の直視型フラット・パネル表示装置に使用されているもの と同様である。本発明の好ましい実施例において、接着促進層２６の厚さは約１ マイクロメートル未満である。

入力面３０、出力面３１および直線状側壁３２を備えた単一の導波管２８を第５ 図に示す。図中のテーパ付きの直線状側壁３２を交差するまで延長すると、これ らはテーパ角３６を形成する。テーパ角３６に望ましい値は約２度から約１４度 の範囲　。

である。テーパ角３６により望ましい値は約４度から約１２度の範囲である。テ ーパ角３６にもっとも望ましい値は約６変から約１０度の範囲である。

テーパ付き導波管２８の長さは寸法３４である。寸法３５は導波管の入力面３０ の最小横方向距離である。たとえば、入力面３０の形状が正方形である場合、寸 法３５は正方形の一辺の長さとなる。入力面３０の形状が矩形の場合、寸法３５ は矩形の２辺の寸法のうち短い方となる。寸法３５の特定の値は変調手段１８の 隣接する画素の間の中心間距離によって大幅に変化することができる。変調手段 １８によって形成される画像の解像度を劣化させないためには、寸法３５を変調 手段１８の隣接する画素の間の中心間距離以下にしなければならない。たとえば 、変調手段１８の隣接する画素の間の中心間距離が２００ミクロンの場合、寸法 ３５は一般に約５ミクロンから約２００ミクロンの範囲となる。より好ましくは 、約１５ミクロンから約２００ミクロンの範囲であり、もっとも好ましくは、約 ２５ミクロノから約１００ミクロンの範囲である。

寸法３５が選択されると、寸法３４は寸法３５に対する寸法３４の比によって措 定することができる。寸法３５に対する寸法３４の比は入力面３０に入る光の角 分布に比較して、出力面３１から出る光の角分布をどれくらい大きくするかに応 じて、広範囲に変更することができる。寸法３５に対する寸法３４の比は通常、 約０．２５から約２０である。寸法３５に対する寸法３４の比は約１ないし約８ であることがより好ましい。寸法３５に対する寸法３４の比は約２から約４であ ることがもっとも好ましい。

テーパ付き導波管２８の非結像光学特性は非順次処理光線トレーシング・コンピ ュータ・プログラムを使用してモデル化することができる。第６図は円錐の入力 面３０にランダムに分布され、かつ−１０ないし＋１０度の入力角でランダムに 分布された１０．０００本の光線の入力を想定した場合の特定の導波管の出力分 布を示す。第６図でモデル化した錐は辺が４５ミクロンの正方形の入力面３０． 辺が２５ミクロンの正方形の出力面３１．１２５ミクロンの長さ３４、直線状の 側壁３２および４．６度のテーバ角３６有している。面３１の出力面積は入力面 ３０の面積の３１％である。テーパ付き導波管は光の分布を−１０ないし＋１０ 度の大刀範囲から、約−３０ないし＋３０度に改善した。

異なるより好ましいテーパ付き導波管の構成の出力光の分布を、第７図に示す。

テーパ付き導波管２８は辺が４５ミクロンの正方形の入力面３０．辺が１０ミク ロンの正方形の出力面３１．１２５ミクロンの長さ３４、直線状の側壁３２およ び８度のテーパ角３６を有している。面３１の出力面積は入力面３０の面積の５ ９６である。−１０ないし＋１０度の入力光線の分布を使用すると、計算された 出方分布は約−８０ないし＋８０度となる。第７図に示した出力分布は第６図に 示した分布に比較して大幅に改善されている。寸法３４と３５の同一の乗算係数 だけの増減が、六方面積に対する出方面積の比とテーバ角の両方が変化しない限 り、出力光分布特性を変化させないことに留意すべきである。

本発明の他の実施例を第８図に示す。画像表示手段２２は基板２４、接着促進層 ２６および個別のテーパ付き導波管２８で構成されている。導波管２８は第２図 に示した直線状の側壁ではなく、湾曲した側壁３８を有している。出力面４０の 面積と入力面３９の面積の間の好ましい関係は、直線状の側壁を備えたテーパ付 き導波管２８について上述した好ましい関係と同じである。特に、各導波管２８ の出力面４０の面積が入力面３９の面積の約１ないし約５０％であることが好ま しい。出力面４０の面積は入力面３９の面積の約３ないし約２５％であることが 、より好ましい。出力面４０の面積が入力面３９の面積の約４ないし約１２９６ であることが、もっとも灯ましい。

テーパ付き導波管の間の間隙領域３３が、黒色の光吸収粒子４１などの光吸収材 によって充填されている本発明の好ましい実施例を第９図に示す。間隙領域３３ に光吸収付利用することによって、直視型表示装置のコントラストが高くなり、 観察者に反射で戻される周辺光が少なくなる。導波管の側面３２に接触する黒色 物質の面積を最小限とするためには、間隙領域に連続した黒色材料ではなく、光 吸収粒子４１を使用するのが好ましい。間隙領域３３に連続した黒色の材料があ ると、導波管２８を透過する光に対して過剰な吸収損失が生じる。任意の光吸収 材を使用して、粒子４１を形成することができる。これらの材料を黒で示すこと ができる。

第１０図に示した本発明のさらに他の実施例では、テーパ付き導波管２８の出力 端に保護層４２が組み込まれている。保護層４２は導波管２８の出力面に対する 機械的損傷を防止し、かつ光吸収粒子材料４１を導波管２８の間の間隙領域３３ に閉じ込めるのに役立っている。保護層４２は基板２４を形成するのに使用され る材料などの透明な裏当て材料４３と、導波管アレイ２２の表面からの周辺光の 鏡面反射を減少させるフッ化マグネシウムなどの材料で形成された任意選択で、 反射防止性であることが好ましいフィルム４４とで構成されている。

第１１図には、負レンズ４６のアレイを含んでいる保護層４５を利用している、 本発明の実施例が示されている。各レンズ４６は基板４８上に形成されており、 導波管２８の出力端と整合している。レンズ４６は保護膜層５ｏよりも屈折率が 小さい材料で構成されている。画像表示手段２２に負レンズのアレイを組み込む 利点は、得られる表示装置の視角が大きくなることである。

テーパ付き光導波管のアレイは射出成形、圧縮成形、加熱口−ラ・プレス・キャ スティング、および光重合法などの各種の技法によって製造することができる。

好ましい技法は第１２Ａ図、第１２Ｂ図及び第１２Ｃ図に示した光重合法であり 、この方法によれば、パターンを形成したマスクを通して、光反応性モノマの層 を紫外線（Ｕ　Ｖ）光で照射することによってテーパ付き導波管が形成される。

第１２Ａ図において、接着促進層２６でコーティングされた基板２４が部分的に 透明なマスク５１の表面に積層される。このアセンブリは光反応性モノマ５２の 層の頂部に配置され、光反応性モノマは次いで剥離層５４を有する底部支持層５ ３上に配置される。マスク５１は不透明なパターンの領域５５を担持しており、 この不透明な領域によって、ＵＶ光５６（第１２Ｂ図）がテーパ付き光導波管の アレイの希望するパターンを含んでいる領域だけを貫通するようになる。水銀ラ ンプやキセノン・ランプなどからの紫外線光５６は画像マスク５１の表面に投射 される。マスクの透明領域を通過した紫外線光によって、画像マスク５１の透明 領域の真下にあるモノマ層５２の領域５７での光重合反応が生じる。画像マスク ５１の不透明領域５５によって紫外線光が遮られているモノマ層５２の領域では 、光反応は生じない。ＵＶ光による照射の後、画像マスク５１、および剥離層５ ４を備えた底部支持プレート５３の両方が除去される（第１２Ｃ図）。未反応モ ノマはアセトン、メタノール、またはイソプロパツールなどの適切な溶剤によっ て洗い落とされ、基板２４上に光重合した領域５８のパターンが残される。光重 合した領域５８は本発明のテーパ付き光導波管２８に対応している。

光導波管２８が適切なテーパ形状を有するためには、ＵＶ光の波長における未反 応モノマ層５２の光吸収は十分に高く、ＵＶ光の強さの勾配がＵＶ光の露出中に フィルム内で確立されるようなものでなければならない。すなわち、光反応を開 始させるためにモノマ層で利用できるＵＶ光の量は、モノマ層の吸収が有限であ るため、頂部、すなわち画像マスク側から底部、すなわち底部支持プレート側へ 向かって減少することとなる。

ＵＶ光の勾配は頂部から底部へ向かって発生する光重合反応の量に勾配を生じさ せ、これによって独自の形状の現像された導波管の構造、すなわち本発明の方法 によって容易にアクセスできる形状の構造がもたらされる。フィルムの頂部から 底部へ向かって発生する光重合の量における勾配は、溶解酸素ガスがモノマ層５ ２に存在することによってさらに影響を受けるものであり、光重合プロセスで生 じる遊離基によってすべての酸素が消費されている領域を除いて、このような酸 素は光重合反応を短縮したり、消滅させたりするような作用をする。光重合反応 の進行に対する溶解酸素ガスのこのような作用は当分野の技術者に周知のもので ある。さらに、フォトポリマの構造の必須形状は自動合焦の方法によっても影響 を受ける。すなわち、モノマ層の表面にあたる光がその表面における光重合を開 始し、かつ固化したポリマ材料の屈折率が液体モノマのものよりも高いので、固 化したポリマ材料はこれを通過する光を屈折させるよう作用する。このようにし て、モノマ層の底部に近いモノマにあたる光の空間画像は、このモノマの上にあ る光重合済みの材料によって生じる屈折によって変更される。この効果によって 、結像光があたる頂面から、底面、すなわち層の支持プレート側へ向かって生じ る光重合構造が狭くなる。

本発明の直視型画像表示装置の他の実施例を第１３図に示す。

符号５９で示される表示装置は光源６０、反射ないし拡散要素６１、入力光偏光 器６２、液晶セル６３、出力光偏光器６４および偏光器６４の出力面に接触して 配置された画像表示手段６５で構成されている。画像表示手段６５は接着促進層 ６６および個別のテーパ付き導波管６７で構成されており、かつ画像表示手段６ ５の基板として役立つ出力変調器６４の表面に直接形成されている。

本発明の直視型表示装置の他の実施例を第１４図に、符号６８で示す。表示装置 は光源６９、反射ないし拡散要素７０゜入力光偏光器７１、液晶セルフ２、出力 光偏光器７３、光ファイバ・フェースプレート７４、および光ファイバ・フェー スプレート７４の出力面に接触して配置された画像表示手段７５で構成されてい る。画像表示手段７５は基板７６、接着促進層７７および個別のテーパ付き導波 管７８で構成されている。光ファイバ・フェースプレート７４は液晶セルフ２に よって形成された画像をセルから離隔した画像位置へ移す役目をする。画像表示 手段７５は画像表示装置６８の視角を改善することができる。

本発明の直視型表示装置の他の実施例を第１５図に示し、符号７９で示す。表示 袋ｆ１７９は光源８０、反射ないし拡散要素８１、入力光偏光器８２、液晶セル ８３、出力光偏光器８４および出力偏光器８４の出力面に接触して配置された画 像表示手段８５で構成されている。変調手段８３の出力ウィンドウは光ファイバ ・フェースプレート８９である。光ファイバ・フェースプレート８９は狭い範囲 の角度からだけ光を受け入れる。画像表示手段８５は基板８６、接着促進層８７ 、および個別の導波管８８で構成されている。画像表示手段８５は表示装置７９ の視角および色度を改善する。

本発明の直視型表示装置の他の実施例を第１６図に示し、符号９０で示す。表示 装置１９０は光源９１、反射ないし拡散要素９２、平行化手段９３、入力光偏光 器９７、液晶セル９８、出力光偏光器９９および出力偏光器９９の出力面に接触 して配置された画像表示手段１００で構成されている。テーバ付き光導波管９３ の平行化アレイは基板９４、接着促進層９５および個別のテーバ付き光導波管９ ６で構成されている。各テーバ付き光導波管９６の入力領域は光源９１に面して おり、接着促進層９５に隣接して配置された導波管９６の出力領域よりも小さい 。

平行化手段９３は液晶セル９８に入る光の平行化を改善する。

画像表示手段１００は基板１０１、接着促進層１０２および個別のテーバ付き導 波管１０３で構成されている。画像表示手段１００は標示装置の視角および色度 を改善する。

本発明の平行化手段９３の好ましい実施例を第１７図の展開図に示す。平行化手 段９３は基板９４、接着促進層９５および個別のテーバ付き導波管９６で構成さ れている。透過光の方向に関する平行化手段９３の向きは、画像表示手段１００ の向きと反対である。平行化手段９３の導波管９６は出力面１０６より面積の小 さい入力面１０５を有する。直線状の側壁１０７を備えた導波管が示されている が、側壁が湾曲していてもよい。

入力面１０５に入る、あるいは側！！１０７から導波管に入る平行となっていな い光は、部分的に平行となってアレイから出る。

平行化の改善は液晶表示装置全体のコントラストを改善する。

本発明の直視型表示装置を、従来の表示装置が使用されている用途に使用するこ とができる。このような用途の例としては、コンピュータの端末、テレビジョン 、航空機のコックビット表示装置、自動車の計器パネルならびにテキスト、グラ フィックスまたはビデオの情報をもたらすその他の装置がある。

以下の個々の例は本発明の詳細な説明するために挙げたものであって、本発明を 限定するものとして解すべきものではない。

例Ｉ 薄いプラスチック・フィルム上にテーバ付き導波管を製作したが、薄さおよび経 済性の両方からもっとも望ましいものであった。５０ミクロンの中心部分に幅４ ５ミクロン角の透明な正方形の２次元グリッドを有するフォトリソグラフィで作 成したマスク（５”ｘ５”　ｘＱ、０９”　）が使用された。幅５ミクロンのス ペースは紫外線および可視放射線に対して不透明なものであった。このマスク上 に、数滴のメタノールを塗布し、次いで、厚さ１００ミクロンのポリ（エチレン テレフタレート）（ＰＥＴ）フィルムを押しつけた。このＰＵＴフィルムを極薄 膜表面処理によって調製し、重合化モノマ溶液に対して反応性で、接着性を帯び るようにした。このような表面活性化フィルムは当分野の技術者に周知のもので ある。メタノールの表面張力によって、フィルムはマスクに柔軟ではあるが、堅 固に接着した。マスクおよび表面活性化ＰＵＴフィルムはアレイ基板サブアセン ブリを構成した。別の５“Ｘ５”　Ｘｏ、２５”のブランク・ガラス上に、感圧 接着剤を使用してＰＥＴフィルムを接着した。これは剥離フィルム・サブアセン ブリを構成した。剥離フィルム・サブアセンブリをフィルム面を上にして、ネジ 孔のある黒い金属プラットフォーム上においた、１ｃｍＸ３ｃｍ×厚さ２００ミ クロンの金属スペーサを剥離フィルムの頂面の縁部の周囲に配置した。約１ミリ メートルの光重合可能なモノマ溶液を剥離フィルムの中心部に分与した。このモ ノマ溶液は６２部のエトキシレーテッドビスフェノールＡジアクリレートと、３ １部のトリメチロールプロパントリアクリレート、１部のＩ＋ｇｔｎｏｘ　１０ １０酸化防止剤、２部のＤｇ＋ｏｃｗ＋ｅ　１１７３フオトイニンエー夕、２部 のｌ＋ｇｔｃａ＋ｅ　６５１フオトイニシエー夕、および２部のｌ＋Ｈｃｕ＋ｅ 　ＳＯＧフォトイニシエータからなっていた。アレイ基板サブアセンブリを次い で、フィルム面を下にしてモノマ溶液の上においた。５“Ｘ５”　Ｘｏ、２５° の透明なガラス板をこの製造アセンブリ全体の上に置き、金属クランプとネジを 使用して、板体を完全かつ均一に抑圧し、剥離フィルムとアレイ基板の間に厚さ ２００ミクロンのモノマ溶液をもたらした。

この時点で、製造アセンブリ全体を紫外線／可視（ＵＶ−ｖｉｓ）放射線露光シ ステムの平行化レンズの下においた。

ＵＶ−ｖｊｓシステムは１０００ワツトの水銀−キセノン・ランプを含んでおり 、輝度が８５　ｍ　Ｗ　／　ｃ　ｍ　２の一様で、平行でしかも均一な全スペク トルの放射線を、製造アセンブリの５゜×５”の全面積にもたらす。サンプルを ０．７６秒間照射した。

製造アセンブリを次いで分解し、テーバ付き光導波管が形成されているが、要素 間の間隙領域がまだモノマ溶液で覆われてぃるアレイ・フィルムを裏返しにして 、イソプロパツールの浴内に入れ、１０分間放置した。イソプロパツールはモノ マに対して比較的劣悪な溶剤であるが、光導波管要素の反射性壁部を一様で、緩 やかな現像を可能とするものであるから、有利である。

残留モノマの除去後、テーパ付き先導波管をチッ素ガス流中で乾燥し、チッ素ガ スでパージしたエンクロージャ内におき、さらに２０秒開ＵＶ−ｖｉｓ放射線で 照射して、硬化させた。

電子顕微鏡および光学顕微鏡を使用して、テーパ付き光導波管を調べた。個々の 光導波管が正角錐台という形状を有していることを観察した。要素の高さは２０ ０ミクロンであった。光導波管の小さい方の出力面の輻は２０ミクロンであった 。反射性の側壁はきわめて滑らかで、出力面の下方１６０ミクロンの深さのとこ ろで互いに接合されていた。導波管の入力面は厚さ１００ミクロンのＰＥＴアレ イ基板の間の界面に配置されており、本例において、入力面は上述したように完 全に融着されているが、この入力面の幅は５０ミクロンであった。先導波管のテ ーパ角はしたがって、１２度であった。

Ａ±」 上記の例１をスターティング・ポイントとして用いた。テーパ付き光導波管を光 吸収材である油煙粉で十分に覆った。油煙粉の平均粒径は光導波管の５０ミクロ ンという寸法よりもはるかに小さかった。粉を柔らかい道具、この場合は手袋を はめた指によってテーバ付光導波管のアレイの間隙領域内で慎重に滑らかにした 。過剰な量を同じ道具で除去した。光導波管は油煙を目に見える損傷を与えるこ となく広げるのに十分な強度のものであった。テーパ付き導波管アレイの出力側 を見ると、油煙によってアレイは漆黒に見える。黒くされた目に見える表面積の 割合は８５パーセントにされた。

ガウス・モード形状で、６度の全開き角度のヘリウム−ネオン・レーザ・ビーム を、テーパ付き光導波管のアレイに通して透過率を測定した。光が導波管の光入 力側から光出力側へ伝搬した場合、透過率は６０％となった。

テーパ付き光導波管の別のアレイに他の実験を行った。この場合、アレイの半分 に油煙粉を充填し、他の半分に黒色の液体エポキシを充填した。エポキシを乾燥 した後、２つのサンプルを比較した。油煙を充填したアレイ領域は、光入力側か ら光出力側を見た場合、きわめて透過率が高く、６０パーセントの透過率を示し た。黒色のエポキシを充填したアレイ領域は、光入力側から光出力側を見た場合 、はるかに透過率が低く、約１５パーセントの透過率を示した。これは光がテー パ付き導波管のアレイを通過して正常に伝播できるようにする点で、光吸収材の 選択がきわめてクリティカルであることを示している。光吸収材が油煙粉である 場合、粉は導波管側壁の表面領域の小部分のみに直接接触し、全内面反射現象が 妨害されることなく進行できるようにする。光は導波管の入力端部に入り、導波 管の側壁で反射され、出力面から出ることによって導波管を透過する。

光吸収材が黒色のエポキシである場合、その係数は反射性側壁と一致し、光を側 壁と結合させ、光吸収材に吸収させることと上記の例２をスターティング・ポイ ントとして用いた。間隙領域が油煙粉で充填されたテーパ付き光導波管のアレイ を、感圧接着剤によって調製したＰＥＴフィルム片と積層した。感圧接着剤は先 導波管の出力面と係数が一致した界面を形成する。

導波管のアレイは上記の例２と同じ６０パーセントの透過率を示した。テーパ付 き光導波管のアレイに保護層を嵌合し、洗浄し、折り曲げ、処理したが、導波管 に損傷は生ぜず、また粉末状の光吸収材の喪失はなかった。

帆土■ 上記の例２をスターティング・ポイントとして用いた。間隙領域が油煙粉で充填 されたテーパ付き光導波管のアレイを、識別カードを積層するために通常使用さ れるプラスチック熱活性化積層フィルム片と積層した。積層フィルムは光導波管 の出力面と係数が一致した界面を形成する。導波管のアレイは上記の例２と同じ ６０パーセントの透過率を示した。テーパ付き光導波管のアレイに保護層を嵌合 し、洗浄し、折り曲げ、処理したが、導波管に損傷は生ぜず、また粉末状の光吸 収材の喪失はな上記の例４をスターティング・ポイントとして用いた。光出力面 から見た場合、積層した保護フィルムは連続した空気−プラスチック界面をもた らし、この界面によって、観察者の後方からの光が反射されて観察者の眼に戻さ れる。本例は上記の例１で使用したものと同じ光重合可能モノマ溶液の層によっ て覆った。アレイとモノマ溶液の上に、反射防止コーティングを施したガラス板 をおいた。モノマ溶液をＵＶ−ｖｉｓ放射線にょって硬化させた後、保護積層プ ラスチック・フィルムおよび付加的な反射防止コーティングを施したガラス板を 備えたテーパ付き光導波管のアレイを観察したところ、はるかに黒くなっていた 。これは観察者の眼に到達する反射スプリアス光が減少したためである。

例Ｖｌ 上記の例４をスターティング・ポイントとして用いた。吸光性の黒付を備えたテ ーパ付き光導波管の保護されたアレイを、ガウス・モード形状で、６度の全開き 角度のへリウムーネオン・レーザ・ビームの前方へおいた。レーザ・ビームは光 入力面から光出力面へ伝播した。光の出力を拡散性視野スクリーンで観察し、幅 の広い出カバターンに変換されることを確認した。

このパターンをビデオ・フレーム−グラブ計器とコンピュータ・ソフトウェアを 使用して分析した。分析の結果、テーパ付き先導波管のこのアレイが光を、レー ザ・ビームの中心スポットを中心とする幅の広い出カバターンに変換することが 示された。

単一のレーザ・ビームを使用したこと、および導波管の形状から、出カバターン の対称性が４倍となり、８個のスポットがほぼ均等な輝度となっていた。最大ス ポット輝度の領域の全角分布は４０度であった。テーパ付き導波管のアレイの出 カバターン全体は、レーザ・ビーム入力の開きがわずか６度であっても、約６０ 度の開きの全角度にわたって出力光の輝度に比較的滑らかな減少度を示した。

ランバート拡散体はテーパ付き光導波管のアレイの絶対表示特性をテストするた めの目標をもたらす。レーザφビームと共線に伝播する光の輝度は１に正規化さ れる。４０度の全角度において、テーパ付き光導波管のアレイは理想的なランノ く一ト・拡散体の輝度の５０パーセントをもたらした。６０度の全角度において 、テーパ付き光導波管のアレイは理想的なランバート拡散体の輝度の１７パーセ ントをもたらした。指摘しておきたいのは、ランバート拡散体が強い散乱を起こ す機構によって作動するものであって、順方向である面に入射する光の４’ｒノ ＜−セントしか透過しないことである。

ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、　６ Ａｎｇｌｅ　（ｄｅｇｒｅｅｓ） ＦＩＧ、　７ ＦＩＧ、　１２Ａ ＦＩＧ、　１５ フロントページの続き （７２）発明者　ビーソン、カール・ウニインアメリカ合衆国、ニュー・シャー シー・０８５４０、プリンストン、ドッグ・レーン・（７２）発明者　マクファ ーランド、マイケル・ジエイムズアメリカ合衆国、ニュー・シャーシー・０７８ ８２、ワシントン、マスコネットコング・リバー・ロード・１４８ （７２）発明者　ヤードリイ、ジエイムズ・トーマスアメリカ合衆国、ニュー・ シャーシー・０７９６０、モリスタウン、マツ力ロック・アベニュー・４０ （７２）発明者　ファーム、ボール・マイケルアメリカ合衆国、ニュー・シャー シー・０７９６０、モリスタウン、サウス・ストリート・ナンバー・３・エイチ ・３２０

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）光を発生する光発生手段と、（ｂ）該光発生手段からの光を変調して 、画像を形成する変調手段と、 （ｃ）前記変調手段の光出力表面に隣接して配置された前記変調手段からの前記 画像を表示する面像表示手段であって、平坦な基板上にテーパ付き光導波管のア レイを備えており、該光導波管の各々のテーパ付き端部が前記基板から外方へ延 びており、該基板に隣接した光入力面と該光入力面から離隔した光出力面を有し てい画像表示手段とを備えており、（ｉ）各導波管の光入力面の面積が光出力面 の面積よりも大きく、前記アレイの隣接する導波管の光入力面の間の中心間距離 が光出力面の間の中心間距離と等しく、その結果導波管の出力面から出る光の角 分布が導波管に入る光の角分布よりも大きくなっており、 （ｉｉ）前記アレイの導波管が該導波管の屈折率よりも低い屈折率の間隙領域に よって分離されていることを特徴とする直視型フラット・パネル表示装置。
2. ２．前記変調手段が液晶調器であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載 の装置。
3. ３．（ｄ）前記光発生手段が発生する光を偏光する前記光発生手段と前記変調手 段との間に配置された入力光偏光手段と、（ｅ）前記変調手段から出る光を偏光 する前記変量手段と前記画像表示手段との間に配置された出力光偏光手段とを備 えていることを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の装置。
4. ４．前記間隙領域の全体または一部が光吸収性であることを特徴とする、請求の 範囲第１項、第２項または第３項に記載の装置。
5. ５．前記間隙領域の全休または一部が光吸収材料であることを特徴とする、請求 の範囲第４項に記載の装置。
6. ６．前記材料の全体または一部が粒子状であることを特徴とする、請求の範囲第 ５項に記載の装置。
7. ７．前記材料がカーボン・ブラックであることを特徴とする、請求の範囲第６項 に記載の装置。
8. ８．テーパ付き光導波管が有機ポリマ材で構成されていることを特徴とする、請 求の範囲第１項、第２項または第３項に記載の装置。
9. ９．前記導波管に線条が設けられていることを特徴とする、請求の範囲第１項に 記載の装置。
10. １０．前記導波管が散乱中心を含んでいることを特徴とする、請求の範囲第１項 に記載の装置。