JPH1172721A - 光スイッチング素子及び画像表示装置 - Google Patents
光スイッチング素子及び画像表示装置Info
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Abstract
のための光学系が薄型で良く、階調特性も正確な画像表
示装置を実現可能な光スイッチング素子を提供すること
を目的としている。 【解決手段】 全反射により光を伝えているガラス板等
の導光体である光ガイド21の表面の全反射面32に対
し、薄膜40に取り付けられた光抽出部50の抽出面3
6を接触あるいはエバネセント波を取り出せる程度まで
近接することにより、光ガイド21内を伝達する入射光
10を抽出し、出射体43を介して外部に出射する。こ
のように光をスイッチングすることにより、光抽出部5
0の動作範囲は波長あるいは半波長程度のオーダとな
り、高速動作が可能な光スイッチング素子1を提供で
き、オフ時は入射光10が全反射されて漏れでないので
コントラストの良い光スイッチング素子を提供できる。
Description
光記憶装置、光プリンター、画像表示装置等に使用され
る光スイッチング素子(ライトバルブ)に関するもので
あり、特に画像表示装置に関するものである。
たものが知られている。図16にその概略構成を示すよ
うに、従来の光スイッチング素子900は、偏光板90
1および908、ガラス板902および903、透明電
極904および905、液晶906および907より構
成され、透明電極間に電圧を印加することにより液晶分
子の方向を変えて偏光面を回転させ光スイッチングを行
うものであった。そして、従来の画像表示装置は、この
ような光スイッチング素子(液晶セル)を二次元に並べ
た液晶パネルを用い、階調表現は印加電圧を調整するこ
とにより液晶分子の向く方向をコントロールするもので
あった。
高速応答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度
でしか動作しない。このため高速応答を要求される、光
通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記憶装置、光
プリンター等へ液晶を用いた光スイッチング素子を適用
することは難しかった。また、液晶を用いた光スイッチ
ング素子では、偏光板により光の利用効率が低下してし
まうという問題もあった。
っそう高品位な画像品質が要求されており、液晶を用い
た光スイッチング素子よりさらに階調表現が正確な表示
を行える光スイッチング素子が求められている。
速応答が可能な光スイッチング素子を提供することを目
的としている。また、製造が比較的簡単で歩留りも高
く、低コストで高解像度のカラー表示も可能な画像表示
装置を提供することを目的としている。さらに、照明の
ための光学系も薄型化でき、階調特性も正確な画像表示
装置を提供することも目的としている。
ては、光を全反射している導光部に対し透光性の抽出面
を接触させると光を抽出することができ、さらに、半波
長、望ましくは1/4波長程度の距離まで抽出面を接近
することによって漏出するエバネセント光を抽出できる
ことに着目し、抽出面を備えた光抽出部の1波長程度あ
るいはそれ以下の微小な動きによって光を高速でオンオ
フ可能な光スイッチング素子を実現している。すなわ
ち、本発明の光スイッチング素子は、光を全反射して伝
達可能な全反射面を備えた導光部と、全反射面に対しエ
バネセント光が漏出する抽出距離以下に接近する第1の
位置、および抽出距離以上に離れる第2の位置に移動可
能な透光性の抽出面を備えた光抽出部とを有することを
特徴としている。この光スイッチング素子は、エバネセ
ント光も抽出できるので導光部の全反射面に必ず密着し
なくても良く信頼性の高い光スイッチング素子である。
そして、第1の位置から1波長程度離れた距離にある第
2の位置に移動することによりオフ状態になるので、高
速動作が可能な光スイッチング素子を提供できる。ま
た、オフ状態では導光部からの光は全反射されて漏れ出
てこないのでコントラストが大きな光スイッチング素子
を提供することができる。
は、抽出面で抽出した抽出光を出射体で適当に処理する
ことにより光を外部に出力でき、オンオフ動作する光ス
イッチング素子を実現できる。例えば、出射体に全反射
面と角度の異なる出射面または反射面の少なくともいず
れかを設けておくことにより、光抽出部から抽出光を外
部に出すことができる。このような出射体としては、マ
イクロプリズムまたはマイクロレンズを用いることがで
き、抽出面から抽出した光を効率よく外部に取り出すこ
とができる。また、出射体として、出射方向に広がった
円錐台または角錐台状の光学素子を用いることも可能で
ある。このような光学素子を用いると、光を取り出す効
率をさらに上げられると同時に取り出した光の方向を導
光部の全反射面に対して垂直方向に近づけることができ
る。
ることも可能であり、抽出光を出射体で散乱させて外部
に出射させることができる。さらに、出射体として抽出
光によって発光可能なもの、例えば、導光部に伝達され
る光として紫外線を用い、この紫外線が当たると発光す
る蛍光剤を含んだものなどを出射体として用いることが
できる。
ことにより、発色の異なる光スイッチング素子を提供す
ることも可能である。このためには、抽出面あるいは出
射体にカラーフィルタとしての機能を持たせても良く、
散乱材あるいは発光剤に波長選択性のあるものを採用す
ることが可能である。
される抽出光を導く透過型で構成することが可能であ
り、このような透過型の光抽出部は導光部に対し光を出
射する出射方向に配置することにより光スイッチング素
子として機能する。一方、光抽出部は抽出面の方向に抽
出される光を導く反射型で構成することも可能であり、
このような反射型の光抽出部は導光部に対し光の出射方
向と反対側に配置することにより光スイッチング素子と
して機能する。また、光抽出部は抽出面によって抽出さ
れる光により発光する発光型とすることも可能である。
さらに、抽出光を散乱させたり、抽出光によって発光さ
れた光を出射する場合は、導光部に対し発光した光の出
射方向と反対側に光吸収層を配置し外光を吸収すること
によりコントラストを高めることができる。
散乱あるいは波長選択性などの機能を備えた出射体を設
ける代わりに、光抽出部によって抽出される抽出光の出
射方向に非可動性の光処理部を設け、この光処理部に、
出射される光の方向を整える波面変換機能、波長選択機
能あるいは発光または散乱機能などを設けておくことも
可能である。このような光処理部を設けることにより光
抽出部の構成が簡易となり、動作荷重も低減されるので
可動し易くなり、さらに高速のスイッチング動作を行わ
せることができる。
は、光抽出部は導光部に対し適当な距離をおいて可動で
きるように個別に支持することも可能である。導光部に
対しスペーサを介して積層された薄膜を用い、この薄膜
により光抽出部を支持することにより、導光部に対して
適当な距離を維持できると共にユニット化することが可
能となる。透過型の光抽出部の場合は、出射方向にスペ
ーサを介して積層された透過型の薄膜を用いて光抽出部
を支持することができる。また、光抽出部が反射型の場
合は、出射方向と反対側にスペーサを介して積層された
反射型の薄膜を用いることにより、薄膜で抽出光を反射
できる。また、反射性あるいは非透過性の薄膜を用いて
外光を防いでコントラストを高めることができる。
スイッチング素子においては、薄膜に支持された光抽出
部を適当な駆動機構を用いて駆動することによりスイッ
チング素子として動作させることができる。そして、光
スイッチング素子自体に薄膜に支持された光抽出部を直
接あるいは間接的に駆動可能な駆動部を設けておくこと
により、駆動機構まで一体となった光スイッチング素子
を提供することができる。このような駆動機構として
は、ピエゾ素子のような圧電変換機能を備えたものであ
っても良いが、駆動部として光抽出部を静電的に駆動す
るようにすれば静電力による吸着あるいは反発が利用で
き、しかも薄膜技術を利用したマイクロマシンを構成す
ることができる。このため、簡単な機構で薄く纏めるこ
とができ、生産性も向上する。従って、低価格で小型の
光スイッチング素子を提供できる。例えば、全反射面に
透明電極を設置することが可能であり、この電極と対峙
する電極を薄膜側に設けて電位を与えることにより自由
に光スイッチング素子を制御することができる。
電駆動される光スイッチング素子においては、抽出面に
よって抽出される抽出光を光学的に処理して出射する出
射体に対し導光部の側に透明電極を配置しておくことが
望ましい。これにより、全反射面に設けられた透明電極
と薄膜側の透明電極との距離を短くできるので、小さな
駆動電圧で光スイッチング素子を駆動することができ
る。さらに、薄膜がシリコン製などである場合は、ガラ
ス製などのスペーサに対して電界熱接合することが可能
である。電界熱接合を採用すると接着剤層などが不要な
ので、薄膜と全反射面の距離を一定になるように組み立
てるのがさらに容易になる。また、薄膜と全反射面との
距離を規定するスペーサは各々の光抽出部の四方を支持
するように柱状とすることにより、スペーサの配置スペ
ースを最小限にでき、抽出面の面積を広く確保すること
ができる。
子を複数個用い、これらを2次元的に配置し、さらに、
導光部同士を光が伝達可能なように接続することにより
2次元表示の可能な画像表示装置を実現することができ
る。この画像表示装置は、応答速度が速く、高速動作が
可能であり、さらに、高コントラストの画像が得られ
る。さらに、スイッチング素子の高速特性を利用し、時
分割で階調を表現できるため、高品位な画像が得られ
る。また、偏光フィルタなどによる光強度の減少はな
く、導光部から直に光を抽出するようにしているので明
るい画像表示装置を提供できる。
スペーサを介して積層された薄膜を用いて光抽出部を支
持することにより、薄く、小型化することができる。ま
た、2次元的に配置されたそれぞれの光スイッチング素
子を静電駆動するために、走査電極およびこの走査電極
と直交する副走査電極とを用いることが可能であり、こ
れらを導光部および薄膜または光抽出部に配置すること
により、2次元的に配置された光スイッチング素子の各
々を駆動して画素表示を行うことができる。
ことによりカラー表示を行うことも可能となる。また、
導光部に3原色を時分割して供給可能な光源部を用い、
各々の光スイッチング素子を同期して制御してカラー表
示することも可能である。このように、本発明に係る画
像表示装置においては、カラーの高品位画像が得られる
と同時に装置を薄く構成できるという効果を有する。
の実施の形態を説明する。
かの実施例〕 (実施例1)本発明の光スイッチング素子の原理は、全
反射により光を伝えているガラス板等の導光体に対向し
て設置した透明な、あるいは透光性の抽出面を備えた物
体を、一波長、望ましくは半波長程度あるいはそれ以下
のエバネセント光が漏出する抽出距離以下まで静電力や
電歪効果を利用して近接あるいは接触させることにより
エバネセント波を取り出すことができる第1の位置と、
全反射条件を満たさないようにしてエバネセント波も出
力されないよう第2の位置とに切り換えて光をスイッチ
ングすることである。
の1例の概略構成を示してある。本例のスイッチング素
子1は、ガラス製あるいは透明プラスチック製などの使
用する光の透過率の高い導光体(導光部)である光ガイ
ド21を有している。この光ガイド21は、入射光10
が全反射により伝達されるように、入射光10の入射角
に対して適当な角度となる表面22および裏面23が形
成されている。表面22には、適当な高さの凹凸24が
エッチングなどの技術によって形成されており、その溝
部(グルーブ)25に厚さ0.1ミクロン程度の透明電
極31が設置され、透明電極31の面32も入射光10
に対して全反射が行える面(全反射面)となっている。
このような光ガイド21の凹凸24が形成された表面2
2にPETフィルムなどの高分子、あるいは無機物の透
明な薄膜40が積層されており、凹凸24の凸部(ラン
ド)26をスペーサとして薄膜20と溝部25との距離
が一定に保持されている。
薄膜40と光ガイド21を接合するために適当な温度を
加えながら高電位を印加して接続する電界熱接合(陽極
接合)の技術を用いている。このため、薄膜40と光ガ
イド21が接合するランド26の先端部分27に接着剤
層などの余分な層を設けずに済むので、薄膜40と溝2
5との隙間を精度良く保持することができる。薄膜40
の溝側の面41には透明電極35が設けられており、こ
れらの透明電極35および31に極性の異なる電位を印
加すると静電力により引き合い、図1の右側の光スイッ
チング素子のように透明電極35の溝側の面(抽出面)
36が、溝側に設けられた電極の表面(全反射面)32
に近接あるいは接触し、光ガイド21から光が光抽出部
50に抽出される。すなわち、本例では透明電極35が
光抽出部50の一部となり、その表面36が抽出面とな
っている。これらの透明電極35および31は液晶表示
体などでも用いられているような0.02ミクロン程度
の酸化シリコン製などの公知の絶縁層を備えており、以
下ではその詳細な説明は省略する。
は、薄膜40を透過して薄膜40の反対側の面42に設
けられた出射用の光学素子(出射体)43を通り、出射
光12として外側に出射される。従って、本例の光スイ
ッチング素子1においては、透明電極35および出射体
43が光抽出部50の機能を果たしている。本例の出射
体43は、四角錐の先端を取り除いた形状(四角錐台
状)の高分子あるいは無機物の透明なマイクロプリズム
44が用いられている。このマイクロプリズム44は、
光ガイド21に近い側の底面積が遠い側より小さいよう
に設置してある。このため、マイクロプリズム44に導
かれた抽出光11は、全反射面とは角度の異なる側面4
4aに反射され、抽出光11の方向を全反射面32に対
してほぼ垂直な、すなわち、光ガイド21の表面から垂
直方向に放射分布が整えられた出射光12として図面上
の上方に出射される。
エバネセント波が透明体側に漏れ出て光が透過すること
が知られており、その透過率の一例を図2に示してあ
る。エバネセント波の透過率は、媒体の屈折率や入射角
度などによって相違するが、ほぼ同じような傾向を示
し、半波長程度以下に透明体が近接するとエバンセント
波を捉えることができる。さらに、全反射面32を形成
する透明電極31と抽出面36を形成する透明電極35
はほぼ同じ屈折率のため、接触すれば入射光は全反射面
32で全反射せずに導光部である光ガイド21から抽出
面36を通って透明電極35に抽出光11として進行す
る。このようにして、全反射面32から直に、あるいは
エバネセント波を捉えて抽出光11が得られるので、光
学素子43を経て出射光12として取り出し出射するこ
とができる。
出面が形成された透明体が接触せずに波長以下の距離に
近接する場合に、導光部から外部の空気あるいは真空中
に大略波長程度はいり込んでいるエバネセント波を透明
体の側に取り出すことができることが知られている。こ
のエバネセント波は、全反射現象を波動理論により検討
したときに全反射する光が高屈折率の媒体から低屈折率
の媒体中にわずかに浸透して存在する光であり、この光
は通常ふたたび高屈折率の媒体へもどされ全反射とな
る。そこで、本発明の光スイッチング素子1において
は、このような漏れ出ているエバネセント波も抽出でき
ることにより、抽出面36が必ずしも全反射面32に密
着しなくても光スイッチング素子として十分な機能を発
揮させ、信頼性の高い光スイッチング素子を実現するよ
うにしている。
波長程度あるいはそれ以上離れるとエバネセント波の透
過率はほぼ0になり光は出射されない。従って、コント
ラストの良いスイッチング素子を実現することができ
る。本例の光スイッチング素子1においては、スペーサ
となるランド26の高さによって、全反射面である光ガ
イド21の側の透明電極31の表面32と、抽出面であ
る薄膜40の側の透明電極35の表面36との距離が適
当な値になるように設定されている。そして、双方の電
極31および35に極性の異なる電圧を印加するとエバ
ネセント波が漏れ出る程度まで接近し(第1の位置)、
双方の電極31および35に電圧を印加しない、または
同電位を印加すると電極の表面32および36がエバネ
セント波が漏れでない程度まで離れる(第2の位置)よ
うになっている。従って、ランド26と薄膜40の接続
部分の厚みは精度良く管理する必要があり、この点で電
界熱接合を用いると接着材層が不要となるので精度良く
光ガイド21と薄膜40を接合できる。
は、透明電極31および35に印加される電位の極性を
制御することによって光ガイド21の入射光10を出射
するオンオフ制御が可能である。そして、薄膜40に支
持された光抽出部50の移動距離は波長あるいは半波長
オーダで良いので、動作速度は非常に速く、10-3〜1
0-6秒あるいはそれ以下の速度で動作させることができ
る。さらに、光抽出部50を波長程度動かすことによ
り、光ガイド21に対しほぼ100%透過率から0%の
透過率まで切り換えることが可能であり、非常にコント
ラストの高い光スイッチング素子を実現することができ
る。従って、本例の光スイッチング素子1は高解像度の
時分割制御が可能なスイッチング素子であり、多階調制
御を非常に行い易いスイッチング素子である。
ッチングなどの微細加工に適した半導体製造技法あるい
はマイクロマシンの製造技術を用いて製造することがで
きるので、一つのスイッチング素子の大きさを十数ミク
ロンから数百ミクロンにすることが可能である。さら
に、薄膜40と光ガイド21が積層された一体型の素子
であり、加えて、光抽出部50を駆動する電極31およ
び35も組み込まれたユニット化された能動型のスイッ
チング素子として提供することができる。従って、複数
の光スイッチング素子1を高密度で集積化することも容
易であり、詳しくは後述するように、薄くて解像度の高
い画像表示用のスイッチング素子を実現することができ
る。
ッチング素子の例を示してある。本例の光スイッチング
素子1も表面に凹凸24が形成された光ガイド21に薄
膜40が積層された構成であり、上記と共通する部分に
ついては同じ符号を付して説明を省略する。また、以下
の各実施例についても同様に共通する部分については同
じ符号を付して説明を省略する。
出射体43として断面の大きさが波長の数倍から数十倍
程度の小さな角柱あるいは円柱の柱状透明体45を多数
並べた構成が採用されている。このような出射体43
は、透明体45の微細な構造によって抽出光11が散乱
して出射光12を得ることができる。すなわち、透明電
極31および35に異なった極性の電位を印加して抽出
面36を全反射面31に近接または接触させると、抽出
光11が出射体43の角柱あるいは円柱の柱状透明体4
5の内部に入り込む。この抽出光11は角柱あるいは円
柱の柱状透明体45の側面に当たり屈折して外部にでた
り、あるいは反射して上部より外部に出るため、散乱光
が出射光12として得ることができる。柱状透明体45
の断面の大きさ、柱の長さを適当に選択する事により、
光の取り出す効率、散乱の度合いを調節する事が可能で
ある。
のさらに異なる例を示してある。本例の光スイッチング
素子1は、出射体43としての機能を果たすマイクロプ
リズム44が透明な薄膜40の光ガイド21に面した下
部、すなわち、抽出側に配置されたものであり、マイク
ロプリズム44の先端(光ガイド側)44bに透明電極
35が設けられている。従って、電極35および31に
電位差が印加されて全反射面31に抽出面36が接触あ
るいは近接すると、光ガイド21を全反射しながら伝播
する入射光10が、抽出部50である透明電極35およ
びマイクロプリズム44を通って抽出される。この抽出
光11は、マイクロプリズム44の側面44aに反射さ
れ、光ガイド21にほぼ垂直な方向の出射光12となっ
て透明な薄膜40を通して出射される。
25の間に出射体43を配置して光スイッチング素子1
を形成することも可能であるが、出射体43を収納する
ために光ガイド21の表面22に形成する凹凸24の段
差を大きくする必要がある。従って、光ガイド21の加
工精度を維持するのが難しくなる。しかしながら、光ス
イッチング素子1の出射方向が薄膜40で覆われるよう
になるので、レンズなどの他の光学機器に重ねて配置可
能になる点では優れている。また、透明電極35を出射
体43の光ガイド21の側に設けてあるので、薄膜40
と溝25との距離が開いても透明電極35および31の
距離を開けずに済む。このように電極間の隙間を狭くし
ておくことにより、小さな駆動電圧で光スイッチング素
子1を駆動することができ、消費電力(動作電力)を低
減することができる。
ッチング素子1の他の例を示してある。上述した各光ス
イッチング素子1は、光ガイド21の図面上の上方(表
面、出射方向)22に向かって抽出光11を緩い適当な
角度で反射あるいは屈折して、そのまま上方に出射する
透過型の光抽出部50が用いられており、光抽出部50
が透明な薄膜40によって光ガイド21の出射方向に支
持されている。これに対し本例の光スイッチング素子1
においては、光ガイド21の下方(出射方向と反対側、
裏面)23に向かって抽出された抽出光11を鋭角に反
射して上方の出射方向に出射光12を導く反射型の光抽
出部50が用いられている。そして、この光反射型の光
抽出部50が不透明あるいは反射性の薄膜49によって
光ガイド21の裏面23の側に支持されている。
ングによって薄膜化が容易なボロンドープのシリコン薄
膜49が採用されており、光ガイド21の裏面23に形
成されたランド27に電界熱接合によって積層されてい
る。反射型の光抽出部50のこの薄膜49の光ガイド側
の面41に形成されており、光ガイドの裏面側から透明
電極35、光散乱材48を含有した出射体43および反
射膜となるアルミニウム層51が積層されている。
る電位が印加されると、上記の各スイッチング素子と同
様に全反射面32に抽出面36が接触あるいは近接して
抽出光11を得ることができる。そして、本例の光スイ
ッチング素子1においては、抽出光11が散乱材48を
含んだ出射体43の内部で散乱され、上方の出射方向に
向いて散乱された出射光12はそのまま進行して光ガイ
ド21を透過して光ガイドの表面22から出射される。
また、下方に向かって散乱された出射光12は、アルミ
ニウム製の反射膜51によって上方の出射方向に反射さ
れ、光ガイド21を透過して出射される。
グ素子1は、反射型の光抽出部50を用いても構成する
ことが可能であり、光ガイド21の方向に光を出射する
ことができる。この方式の光スイッチング素子は、光ガ
イド21の表面22から光が出射されるので、この側に
レンズなどの他の光学素子を隣接して配置することが容
易な構成である。また、不透明なボロンドープドシリコ
ンを薄膜49として用いているので、ノイズとなる外光
の侵入を薄膜49で防止することができ、いっそうコン
トラストの高い光スイッチングを行うことができる。さ
らに、本例の光スイッチング素子1においても、散乱材
を備えた出射体43の光ガイド21の側に透明電極35
を設けてあり、透明電極31との隙間を最小限にするこ
とにより小さな駆動電圧で高速駆動できるようにしてい
る。
して波長選択性のある色素などを用い、反射膜の代わり
に吸収性の膜を設けることにより特定の波長のみが出射
されるようにすることも可能であり、カラー表示の可能
な光スイッチング素子を実現することができる。
ッチング素子1の他の例を示してある。本例の光スイッ
チング素子1は、反射型の光抽出部50を用いた例であ
るが、マイクロプリズム44などを用いた光反射性の出
射体43を透過性の薄膜40の外側42に設けた構成例
である。このように、透過性の薄膜40を用いて反射型
の光抽出部50を構成することも可能であり、この光抽
出部50を光ガイド21の裏面23に設置し、光ガイド
21の表面22の側に出射光12を導くことも可能であ
る。さらに、マイクロプリズム44としてダイクロイッ
クプリズムなどの波長選択性のある光学素子を用いるこ
とも可能であり、カラー表示の可能な光スイッチング素
子を提供することも可能である。
ッチング素子1の他の例を示してある。本例の光スイッ
チング素子1は、反射型の光抽出部50を用いた例であ
り、さらに、光抽出部50を駆動する手段として電極を
用いた静電力に代わりピエゾ素子59による電歪力を用
いた例を示してある。本例のピエゾ素子59は、分極方
向が異なる2層を積層したバイモルフタイプであり、電
位を与えると湾曲し、その力によって個々の光抽出部5
0を光ガイド21の方向に圧迫できるようになってい
る。
散乱材48が含まれた出射体43を備えた各光抽出部5
0がボロンドープされたシリコン薄膜49によって支持
されている。そして、ピエゾ素子59が湾曲して出射体
43が光ガイド21の方向に圧迫されると、光を全反射
して伝達する光ガイド21の裏面23に出射体43の表
面43aが抽出面となって接触または近接し、入射光1
0が出射体43に抽出光11として導かれる。そして、
出射体43の内部で散乱した出射光12が光ガイド21
を透過して光ガイドの表面22から出射される。出射体
43と薄膜49との間にアルミニウム製の反射層51を
設けておいても良いことはもちろんである。
1は、静電力以外の駆動力を用いても駆動することが可
能である。しかしながら、ピエゾ素子59のような駆動
体の支持や配置、さらには、電力供給の手段などを考慮
すると、先に説明したような電極を用いた静電力を採用
した方が構成を簡略化することができ、光スイッチング
素子1のユニット化が容易である。
に、導光部である光ガイド21とは分離したユニットと
して光抽出部50を可動するように組み立てることもも
ちろん可能である。しかしながら、上記の例に示すよう
に、薄膜40あるいは49に取り付け、この薄膜を凹凸
24が形成された光ガイド21の面に積層することによ
り簡単にユニット化が図られ、さらに、凹凸24のラン
ド26の部分がスペーサとなって光抽出部50と光ガイ
ド21との間に適当な隙間を維持できる。従って、本発
明に係る高速動作が可能でオンオフのコントラストも高
い高性能の光スイッチング素子を低価格で提供すること
ができる。
ッチング素子1の他の例を示してある。本例の光スイッ
チング素子1は、球体に近いマイクロレンズ46を出射
体43として使用した例である。半球状からさらに球体
に近い形状のマイクロレンズを出射体として用いること
により、屈折により出射光12の方向を修正でき、効率
良く光ガイド21内の光を外部に抽出することができ
る。
光ガイド21として160nm程度の波長の紫外線を効
率よく透過する溶融石英を用いており、入射光10とし
てブラックライト(紫外線光源)から紫外線が入射され
るようになっている。そして、出射体43には紫外線に
よって蛍光する蛍光剤47が含まれており、出射体43
が抽出光11によって発光して出射光12が放出される
ようになっている。すなわち、本例の光スイッチング素
子1は、光ガイド21の内部を伝達する紫外線のエネル
ギーを抽出面35を介して抽出し、そのエネルギーを出
射体で可視光に変換して放出するようにしているスイッ
チング素子である。また、蛍光体47として適当な材料
を選択することにより、光抽出部50で紫外線によりカ
ラー表示を行うことも可能である。蛍光体としては、赤
色を発光する(Y,Gd)BO3:Eu3+、緑色を発光
するBaAl12O19:Mn、また、青色を発光するBa
MgAl14O23:Eu2+などを採用することができる。
このような3原色を発光可能な光スイッチング素子を用
いて階調表示を行うことにより、高解像度のフルカラー
表示を行うことが可能となる。
光吸収層29が形成されており、外からの光が侵入する
のを防止してコントラストの強い蛍光が得られるように
している。
は、自己発光型の光抽出部50を用いた光スイッチング
素子であるが、本例の出射体43に蛍光剤47に代わっ
て散乱材48を含有して可視光を光ガイド21に供給す
ることにより、先の実施例と同様に散乱型の光抽出部を
構成し直視型の光スイッチング素子を提供することも可
能である。もちろん、透明な球体に近いマイクロレンズ
46を用いて入射光10を抽出して出射する光スイッチ
ング素子を提供することも可能である。
ッチング素子1の他の例を示してある。上記の各光スイ
ッチング素子1は、光抽出部50に出射体43が含ま
れ、抽出面が動くのに伴って出射体43も動くようにな
っているのに対し、本例の光スイッチング素子1におい
ては、光ガイド21内から抽出された抽出光11の出射
側に薄膜40によって駆動されない光処理部60を設
け、この光処理部60で抽出光11を出射光12に処理
(変換)するようにしている。このため、本例の光抽出
部50は、光ガイド21から抽出光11を抽出する機能
だけを備えており、全反射が発生しないように面を構成
するマイクロプリズムなどを搭載するだけの極めて簡易
な構成にできる。従って、光抽出部50を駆動する際の
負荷が非常に小さくできるので、省電力でさらに高速動
作が可能となり、多階調表現の可能な光スイッチング素
子を提供することができる。
に形成されるために多種多用な機能を持たせることが可
能となる。例えば、出射光12の方向性を高めるマイク
ロレンズとしての機能を付与でき波面変換機能を持たせ
ることが可能である。可動する光抽出部50とは別に設
置できるので十分な曲率などを備えた光処理部60を設
けることができる。また、特定の波長を散乱する散乱材
48を混入して波長選択性を持たせることも可能であ
り、可動性を考慮しなくて良いので十分な量の散乱材4
8を含んだ光処理部60を設けることができる。もちろ
ん、蛍光剤などの発光剤を含んだ光処理部60を設定す
ることも可能であり、紫外線などの可視光以外の処理も
行うことができる。さらに、複数の機能を備えた光処理
部60を積層して配置することも可能であり、光ガイド
21から抽出された抽出光11を適当に処理して出射す
ることができる。
置〕上記にて本発明に係る幾つかの光スイッチング素子
の例を示しながら説明したように、本発明の光スイッチ
ング素子は、全反射している入射光を抽出して出射する
ようにしているので、偏光板などによる光のロスはな
く、入射光を極めて効率良く取り出すことができる。さ
らに、オンオフを行うために光抽出部が駆動する間隔は
波長あるいは半波長単位の微小な距離で良いので、高速
応答が可能であり、良好なコントラストも得ることがで
きる。また、エッチングなどの半導体製造方法あるいは
マイクロマシンの製造方法として一般的な製造方法で本
発明の光スイッチング素子を製造できるので、比較的簡
単で歩留りも高く、さらに低コストで製造し供給するこ
とが可能となる。従って、本発明の光スイッチング素子
を2次元的に配置することにより、高解像度のカラー表
示が可能な画像表示装置を提供するが可能であり、その
幾つかの例を以下に示してある。なお、上記ですでに説
明した部分については、共通の符号を付して以下では説
明を省略する。
装置2を用いて画像を投射する様子を示してある。光源
となるランプ5から出射された光は入射光10となって
画像表示装置2の光ガイド21を全反射しながら進行
し、複数の光抽出部50が2次元的に配置された光スイ
ッチング部3にいたる。そして、2次元的に配置された
光抽出部50のうち、電圧が印加された部分で抽出され
て出射光12が放出され、その光が投影レンズ6により
集光されスクリーン7に投影される。
イッチング部3の例を示してある。本例の光スイッチン
グ部3は、上記の実施例1に示したスイッチング素子が
二次元に多数並べられた構造を有している。本例のスイ
ッチング部3の光抽出部50は、出射体43であるマイ
クロプリズム44として、赤色を透過する波長選択性を
有するプリズム44R、緑色を透過する波長選択性を有
するプリズム44G、青色を透過する波長選択性を有す
るプリズム44Bが用いられた光スイッチング素子が順
番に配置されており、この3種類の光スイッチング素子
を一組として1画素(ピクセル)がフルカラーで表示で
きるようになっている。
表示は各々の光スイッチング素子1の電極31および3
5に印加される電圧の印加時間を調整することにより行
うことができる。グレートーンの階調表示を例にすれ
ば、黒色は印加時間がゼロで光ガイド21から光が抽出
されず、一方、白色は印加時間が最大として最も長い間
光が抽出される。そして、この中間のグレー階調は印加
時間を調節して表現することができる。このような階調
制御を各色のプリズム44R、44Gおよび44Bを備
えたスイッチング素子毎に行うことによりフルカラー表
示を行うことができる。さらに、本例のスイッチング素
子は高速駆動が可能で、多階調表現ができるので高解像
度のフルカラー表現を行うことができる。
も、光が通過する他の部分、たとえば透明電極35の近
傍にカラーフィルターを設置してもよい。また、マイク
ロプリズム44を透明な樹脂に色素を分散したものによ
り製作して実現してもよいし、透明電極35の近傍に誘
電体多層膜によりダイクロイックミラーを構成して実現
するなど多種多用な方法を採用することができる。
チング部3の概略構成を部分的に薄膜40を欠いて示し
てある。本例のスイッチング部3は、スイッチング素子
1が2次元的に配置されるように形成されている。この
ため、光ガイド21には走査方向に延びた透明電極31
が所定のピッチで配置されており、薄膜40には走査方
向と直交する副走査方向に延びた透明電極35が所定の
ピッチで配置されている。もちろん、走査方向および副
走査方向は入れ替わっても良い。そして、透明電極31
および35が交わる部分に出射体43であるマイクロプ
リズム44が取り付けられ、光抽出部50を備えた光ス
イッチング素子1が形成されている。本例においては、
薄膜40を支持するランド(突起)26が、光スイッチ
ング素子1の周囲に、光抽出部50の四方を支持するよ
うに柱状に形成されており、それぞれの突起26が電極
35と干渉せずに薄膜40に電界熱接合などの方法によ
り強固に接合されるようになっている。また、可動する
光抽出部50を4角(4隅)で支持することにより、全
反射面である透明電極31の表面32と接触する抽出面
(電極35の表面)36の面積を広く確保することが可
能となる。このため、光ガイド21から光抽出部50の
単位で高強度の抽出光を得ることができ、明るい画像表
示装置2を形成することができる。
像表示装置の異なった例を示してある。本例の画像表示
装置2は、プリズム状の光ガイド21を備えており、光
源5からの入射光10が直に光スイッチング部3の全反
射面に照射されるようになっている。このような画像表
示装置2を用いることにより、入射光10の方向は出射
方向に対し直交する方向に設定しなくても良い。従っ
て、投射装置などの光源5と画像表示装置2を用いた応
用装置においては、光源5と画像表示装置2の向きは適
当な角度に設定することが可能であり、コンパクトで使
用の形態に則した投射装置などを提供することができ
る。
像表示装置の使用例を示してある。本例は画像表示装置
2をヘッドマウントディスプレーに応用した例である。
光源であるLED70から出射された光は画像表示装置
2の光ガイド21に繋がったプリズム71により取り込
まれて入射光10となり、光ガイド21を全反射しなが
ら進行する。そして、光スイッチング部3によってスイ
ッチングされて画像が形成され、集光用のレンズ72に
よって目73に至る。本例の光スイッチング部3には、
直視に適した散乱型の光抽出部が採用されており、例え
ば、上記の実施例2に説明したような光抽出部を用いる
ことができる。
ED70は赤緑青、またはシアン、マゼンダ、イエロー
などの光の3原色を発光可能な3種類のLED70a、
70bおよび70cが用意されており、これらが時間分
割により発光させてそれぞれの色の光線が画像表示装置
2に入射されるようになっている。このため、画像表示
装置2のスイッチング部3においては、これらのLED
70a、70bおよび70cの発光のタイミングと同期
してそれぞれの色を表現するように各ドットを表示する
光スイッチング素子が動作し、フルカラー画像を表示す
るようにしている。
出部、例えば、実施例4、6あるいは8に示したような
光スイッチング素子を用いてフルカラー表示可能なヘッ
ドマウントディスプレイ用の画像表示装置を提供するこ
とも可能であり、波長選択性のある光抽出部を採用した
場合は白色光を光源として選択することができる。従っ
て、外光を適当な光学系を用いて方向性を整えて光ガイ
ド21に入射して画像表示を行うことも可能である。さ
らに、実施例7に示したように発光型の光抽出部を用い
た光スイッチング素子を採用してカラー画像を表示可能
な画像表示装置を提供することももちろん可能である。
像表示装置を用いた投射型の表示装置の異なった例を示
してある。上記の実施例10および11では、透過型の
光抽出部を備えた光スイッチング素子を用いた例を示し
てあるのに対し、本例の画像表示装置2のスイッチング
部3としては反射型の光抽出部を備えた、例えば実施例
5に示したような光スイッチング素子を用いることがで
きる。本例の画像表示装置2の光ガイド21には、一方
に入射用の面81が用意されており、この面に向かって
光源から赤緑青(RGB)、またはシアン、マゼンダ、
イエローなどの光の3原色が時分割で入射される。本例
の光源80は、白色のメタルハライドランプ80aと、
モータで回転される3色分割フィルタ80bとを備えて
おり、3色分割フィルタ80bで色分割された光線がコ
リメータレンズ80cを通して並行光束化されて入射面
81から光ガイド21に入射される。そして、光スイッ
チング部3に到達した入射光10は、光スイッチング素
子によって反射されて光ガイド21を透過する出射光1
2となって出射され、投射レンズ85を通ってスクリー
ンなどに画像が形成される。一方、光スイッチング部3
の光スイッチング素子によって出射光に変換されなかっ
た入射光は全反射によって光ガイド21の入射面81と
反対側の反射面82に到達し、この面で反射されて再び
光ガイド21内を伝達し、光スイッチング部3に到達す
る。
割され入射光に同期して光スイッチング部3を操作する
ことによりカラー画像を投射することができる。もちろ
ん、白色光を入射光10として採用し、波長選択性のあ
る光抽出部を用いた光スイッチング部3によってカラー
画像を投射できることは上記にて説明した透過性の光ス
イッチング部を備えた画像表示装置と同様に可能であ
る。
画像表示装置は本発明の一例に過ぎず、本発明は請求の
範囲に記載した通りのものであり、実施の形態に示した
幾つかの例に限定されるものではないことはもちろんで
ある。また、光源に単色光としてレーザを用いるなどの
上記以外の応用機器も可能である。さらに、本発明の光
スイッチング素子の適用例は画像表示装置に限定される
ものではなく、光プリンターのライン状ライトバルブ、
三次元ホログラムメモリ用の光空間変調器などその応用
範囲は非常に広く、従来の液晶を用いた光スイッチング
素子が適用されている分野はもちろん、液晶を用いた光
スイッチング素子では動作速度や光強度が不足する分野
および応用機器に対して本発明の光スイッチング素子は
特に適している。さらに、本発明の光スイッチング素子
は微細加工が可能であるので、従来の液晶の光スイッチ
ング素子よりも小型化、薄型化を図ることができ、高集
積化することも可能である。
ッチング素子は、非常に軽い光抽出部を可動部として動
作し、その移動範囲をわずか一波長程度あるいはそれ以
下にすうことができ、全反射により封じ込まれている光
を取り出すことができる。このため、1ミリ秒以下の応
答速度が得られる。さらに、光抽出部が全反射面から離
れてスイッチがオフとなるときは、光が全反射されるの
で出力光がまったく無い。このため、コントラストは大
変に良好な光スイッチング素子が得られる。また偏光板
が必要ないため光のロスを減らすことができる。さらに
照明のための光学系も小型、薄型化が可能となる。
は、上述したように種々の構成を採用することが可能で
あり、例えば、マイクロプリズムあるいはマイクロレン
ズを用いることにより出射光を効率良く取り出すことが
可能となる。また、ほぼ円錐あるいは角錐の先端を取り
除いた形状を有し導光体に近い側の底面積が遠い側より
小さい透明体を用いることにより、出射効率を上げると
同時に、出射光の方向をコントロールして、所定の方向
に光を整えて取り出すことが可能となる。
て導光部に積層し、光抽出部を駆動する駆動機構に静電
力の発生構造を用いることにより、薄膜技術、マイクロ
マシン技術により一体となった光スイッチング素子を構
成でき、製造しやすいという効果を有する。従って、小
型で薄く、さらに信頼性の高い光スイッチング素子を低
コストで供給することが可能となる。
元状に並べて画像を表示することが可能であり、光スイ
ッチング素子がオフ状態の全反射時には光がでないた
め、コントラストが良い画像表示装置を提供できる。さ
らに本発明の光スイッチング素子の高速性を利用して、
電圧印加時間により階調を表現できるため、液晶のよう
な電圧レベルによる階調表示よりも正確な階調をダジタ
ル信号処理により実現できる。さらに、導光部に光を導
くことによって光スイッチング素子を利用できるので、
本発明の画像表示装置の照明光学系も簡素化することが
でき、簡易な構成の投射装置やヘッドマウントディスプ
レイなどの様々な機器に応用することができる。
り、時分割された原色を入射光として供給することによ
りフルカラー表示も可能であり、本発明の光スイッチン
グ素子は出射される光強度も高く、さらに、高速動作が
可能で多階調制御ができるので、高品位なカラー表示が
可能な画像表示装置を提供することができる。
チング素子の概略構成を示す図である。
ラフである。
チング素子の概略構成を示す図である。
チング素子の概略構成を示す図である。
チング素子の概略構成を示す図である。
チング素子の概略構成を示す図である。
チング素子の概略構成を示す図である。
チング素子の概略構成を示す図である。
チング素子の概略構成を示す図である。
示装置を投射装置に適用した様子を示す図である。
図である。
て示す斜視図である。
表示装置を投射装置に適用した異なった例を示す図であ
る。
表示装置をヘッドマウントディスプレイに適用した例を
示す図である。
表示装置を投射装置に適用した異なった例を示す図であ
る。
す図である。
Claims (34)
- 【請求項1】 光を全反射して伝達可能な全反射面を備
えた導光部と、 前記全反射面に対しエバネセント光が漏出する抽出距離
以下に接近する第1の位置、および前記抽出距離以上に
離れる第2の位置に移動可能な透光性の抽出面を備えた
光抽出部とを有することを特徴とする光スイッチング素
子。 - 【請求項2】 請求項1において、前記光抽出部は、前
記抽出面によって抽出される光を出射する出射体を備え
ていることを特徴とする光スイッチング素子。 - 【請求項3】 請求項2において、前記出射体は、前記
全反射面と角度の異なる出射面または反射面の少なくと
もいずれかを備えていることを特徴とする光スイッチン
グ素子。 - 【請求項4】 請求項2において、前記出射体は、マイ
クロプリズムまたはマイクロレンズであることを特徴と
する光スイッチング素子。 - 【請求項5】 請求項2において、前記出射体は、出射
方向に広がった円錐台または角錐台状の光学素子である
ことを特徴とする光スイッチング素子。 - 【請求項6】 請求項2において、前記出射体は光散乱
性であることを特徴とする光スイッチング素子。 - 【請求項7】 請求項2において、前記出射体は前記抽
出光によって発光することを特徴とする光スイッチング
素子。 - 【請求項8】 請求項7において、前記出射体は蛍光剤
を備えていることを特徴とする光スイッチング素子。 - 【請求項9】 請求項1において、前記光抽出部は波長
選択性があることを特徴とする光スイッチング素子。 - 【請求項10】 請求項1において、前記光抽出部は前
記抽出面と反対方向に抽出される抽出光を導く透過型で
あり、前記導光部に対し光の出射する出射方向に配置さ
れていることを特徴とする光スイッチング素子。 - 【請求項11】 請求項1において、前記光抽出部は前
記抽出面の方向に抽出される光を導く反射型であり、前
記導光部に対し光を出射する出射方向と反対側に配置さ
れていることを特徴とする光スイッチング素子。 - 【請求項12】 請求項1において、前記光抽出部は前
記抽出面によって抽出される抽出光を散乱する散乱型、
または、前記抽出光により発光する発光型であり、前記
導光部に対し光を出射する出射方向と反対側に光吸収層
が配置されていることを特徴とする光スイッチング素
子。 - 【請求項13】 請求項1において、前記光抽出部によ
って抽出される抽出光の出射方向に配置された非可動性
の光処理部を有することを特徴とする光スイッチング素
子。 - 【請求項14】 請求項13において、前記光処理部は
波面変換機能を備えていることを特徴とする光スイッチ
ング素子。 - 【請求項15】 請求項13において、前記光処理部は
波長選択機能を備えていることを特徴とする光スイッチ
ング素子。 - 【請求項16】 請求項13において、前記光処理部は
散乱または発光機能を備えていることを特徴とする光ス
イッチング素子。 - 【請求項17】 請求項1において、前記導光部に対し
スペーサを介して積層された薄膜を有し、この薄膜によ
り前記光抽出部が支持されていることを特徴とする光ス
イッチング素子。 - 【請求項18】 請求項10において、前記導光部に対
する前記出射方向にスペーサを介して積層された透過型
の薄膜を有し、この薄膜によって前記光抽出部が支持さ
れていることを特徴とする光スイッチング素子。 - 【請求項19】 請求項11において、前記導光部に対
する前記出射方向と反対側にスペーサを介して積層され
た反射型の薄膜を有し、この薄膜によって前記光抽出部
が支持されていることを特徴とする光スイッチング素
子。 - 【請求項20】 請求項17において、前記薄膜に支持
された前記光抽出部を駆動可能な駆動部を有することを
特徴する光スイッチング素子。 - 【請求項21】 請求項20において、前記駆動部は前
記光抽出部を静電的に駆動可能であることを特徴とする
光スイッチング素子。 - 【請求項22】 請求項21において、前記全反射面に
透明電極が設置されていることを特徴とする光スイッチ
ング素子。 - 【請求項23】 請求項21において、前記光抽出部
は、前記抽出面によって抽出される光を出射する出射体
を備えており、この出射体に対し前記導光部の側に透明
電極が配置されていることを特徴とする光スイッチング
素子。 - 【請求項24】 請求項21において、前記スペーサは
各々の前記光抽出部の四方を支持する柱状であることを
特徴とする画像表示装置。 - 【請求項25】 請求項21において、前記薄膜はスペ
ーサに対して電界熱接合されていることを特徴とする画
像表示装置。 - 【請求項26】 請求項1に記載の光スイッチング素子
を複数有し、これらの光スイッチング素子が2次元的に
配置され、前記導光部は光が伝達可能なように接続され
ていることを特徴とする画像表示装置。 - 【請求項27】 請求項26において、前記導光部に対
しスペーサを介して積層された薄膜を有し、この薄膜に
より複数の前記光抽出部が支持されていることを特徴と
する画像表示装置。 - 【請求項28】 請求項27において、前記スペーサは
各々の前記光抽出部の四方を支持する柱状であることを
特徴とする画像表示装置。 - 【請求項29】 請求項27において、前記薄膜はスペ
ーサに対して電界熱接合されていることを特徴とする画
像表示装置。 - 【請求項30】 請求項27において、前記薄膜に支持
された各々の前記光抽出部を駆動可能な駆動部を有する
ことを特徴とする画像表示装置。 - 【請求項31】 請求項30において、前記駆動部は、
走査電極およびこの走査電極と直交する副走査電極とを
備えており、いずれか一方が前記導光部に配置され、他
方が前記薄膜または光抽出部に配置されていることを特
徴する画像表示装置。 - 【請求項32】 請求項31において、前記走査電極お
よび副走査電極のうち、少なくとも前記導光部に設けら
れた電極は透明電極であることを特徴とする画像表示装
置。 - 【請求項33】 請求項27において、前記光抽出部は
波長選択性を備えていることを特徴とする画像表示装
置。 - 【請求項34】 請求項27において、前記導光部に3
原色を時分割して供給可能な光源部を有することを特徴
とする画像表示装置。
Priority Applications (4)
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