表示素子およびそれを用いた表示装置
光源と、光源から出射された光を伝播させる導波路とを備え、導波路中を伝播している光を導波路側面より外部へ取り出す表示素子であって、導波路側面の形状を変化させることで、光を導波路側面から導波路外部へ取り出す表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、導波路を伝播する光を導波路側面から取り出すことにより表示を行う表示素子およびそれを用いた表示装置に関する。
【背景技術】
導波路中を伝播する光を導波路の側面から取り出す表示装置は、例えば、特開平７−２８７１７６号公報（特に、第６〜第７頁および図１〜図２０）や、特開平１１−２０２２２２号公報（特に、第３〜第４頁、段落（００１０）および図２）に開示されている。これらの表示装置は、光取り出し部に接続されている、セラミックの圧電体膜からなるアクチュエータ部を備えている。アクチュエータ部に電圧を印加することで、アクチュエータ部の静止と変位を行い、光取り出し部を光導波路に接触または離隔して、光導波路の側面からの漏光を制御して取り出す。
上述の方式を用いて、大型表示パネルとして表示装置が実用化されている。商品化されたものが、例えば、「セラムビジョン、セラムボードのカタログ、〔平成１４年７月２５日検索〕、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｇｋ．ｃｏ．ｊｐ／ＥＬＥ／ｐｒｏｄｕｃｔ／０７／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞（第５頁左下欄）」に記載されている。
従来のディスプレイにおいては、導波路と光取り出し部とを光の波長以下の距離で接触させることにより、導波路内を全反射して伝播していた光を導波路の側面から外へ漏光させる。つまり、いわゆるエバネッセント波を取り出すものである（特に、特開平７−２８７１７６号公報の段落（０００９）および特開平１１−２０２２２２号公報の請求項１参照）。つまり、特開平７−２８７１７６号公報の図１および図４などに示されているように、平板状の導波路に、変位伝達部（光取り出し部）のフラットな表面が接触するか否かで導波路側面からの光の取り出しを制御する。
また、特開平１１−２０２２２２号公報の図３には、全反射面で全反射している光のエバネッセント光を、全反射面に近接させた抽出面で抽出する際の、光の透過率が示されている。これによると、全反射面への入射角が５０°〜８０°の場合の光において、全反射面と抽出面との距離が０．１〜０．０５μｍで、透過率が５０％程度になることが示されている。
また、例えば、「Ｘ．Ｚｈｏｕ、Ｅ．Ｇｕｌａｒｉ、“Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ”、ＳＩＤ９８ ＤＩＧＥＳＴ、１０２２頁〜１０２５頁、１９９８年」には、アクチュエータ部として、ポリイミドのフィルムに金属電極膜を形成した静電アクチュエータを用い、ＬＥＤを光源とした表示装置が開示されている。この表示装置は、光取り出し部の幅が０．２３ｍｍに対して、導波路の厚みが０．５ｍｍである。また、導波路の表面はＩＴＯ膜で、これと接する光取り出し部の表面には、ポリイミドに散乱性を与える二酸化チタン粒子を混ぜた膜を電極上に形成したものが形成されており、この膜はポリイミドより硬い複合素材となっている。
上述の従来の表示装置では、導波路中を伝播する光の導波路から取り出す効率が低い。さらに、光取り出し部を導波路へ押し付ける圧力が大きくないと、取り出された光の明るさが不十分であり、かつ不均一であった。
【発明の開示】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、導波路中を伝播する光を導波路の側面から高効率で取り出すことのできる表示素子および表示装置を提供することを目的とする。
本発明の表示素子は、光源と、前記光源から出射された光を伝播させる導波路とを備え、導波路中を伝播している光を導波路側面より外部へ取り出す表示素子であって、前記導波路側面の形状を変化させることで、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１に係る表示素子の構成を示す断面図である。
図２は、本発明の実施の形態１に係る表示装置の構成を示す斜視図である。
図３は、本発明の実施の形態１に係る表示装置の構成を示すブロック図である。
図４は、本発明の実施の形態２に係る表示素子の構成を示す断面図である。
図５は、本発明の実施の形態３に係る表示素子の構成を示す断面図である。
図６は、本発明の実施の形態３に係る表示装置の構成を示す斜視図である。
図７は、本発明の実施の形態３に係る表示装置の構成を示すブロック図である。
図８は、本発明の実施の形態４に係る表示素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の表示装置は、導波路側面の形状を変化させることで、導波路中を伝播している光を導波路側面から取り出すので、伝播している光を高効率で取り出すことができる。それにより、明るく、均一な表示が可能である。
また、好ましくは、前記導波路の形状を変形させる複数のアクチュエータをさらに備え、前記アクチュエータを選択的に動作させることにより、前記導波路側面の形状を変化させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出す。それにより、導波路中を伝播している光を高効率で取り出すことができる。
また、好ましくは、前記導波路は、コアおよび前記コアの一つの側面に沿って形成されたクラッドを備え、前記アクチュエータは、前記クラッドに貼付されていて、前記アクチュエータの変形により、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、導波路中を伝播している光を高効率で取り出すことができる。
また、好ましくは、前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す。それにより、確実に光を取り出すことができる。
また、好ましくは、前記アクチュエータは、前記導波路側面に貼付されていて、前記アクチュエータの変形により、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、容易に光を取り出すことができる。
また、好ましくは、前記アクチュエータは、圧電素子を含み、前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記圧電素子を変形させて、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、高速に動作するアクチュエータを形成できるので、高精度の画像表示にも対応できる。
また、好ましくは、前記アクチュエータは、前記導波路側面に設置された第１電極膜と、前記電極膜に積層された圧電素子と、前記圧電素子に積層された第２電極膜とを備え、前記導波路側面に設置された前記第１電極膜と前記圧電素子に積層された前記第２電極膜との間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を変形させて、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、小さな外力で、高効率な光の取り出しができる。
また、好ましくは、前記アクチュエータは凸部を備え、前記導波路の側面を前記凸部で押圧することにより、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、容易に高効率な光の取り出しができる。
また、前記アクチュエータは、前記導波路側面に設置された電極膜と、前記導波路に対向して、近接している外部電極膜とを備え、前記外部電極膜と前記電極膜との間に電圧を印加することにより生じる静電力により、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、容易に高効率な光の取り出しができる。
前記外部電極膜は、前記導波路側面側に凸部を有し、前記静電力により、前記外部電極膜の前記凸部が、前記導波路側面を押圧することで、前記導波路の形状を変化させる。それにより、高速に動作するアクチュエータを形成できるので、高精度の画像表示にも対応できる。
また、好ましくは、前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す。それにより、確実に光を取り出すことができる。
また、好ましくは、前記導波路の少なくとも一部が弾性体からなる。それにより、小さな外力で高効率な光の取り出しが可能である。
また、好ましくは、前記導波路の少なくとも一部が透明なゲルからなる。それにより、小さな外力で高効率な光の取り出しが可能である。
また、好ましくは、前記アクチュエータが画素ごとに形成されている。それにより、アクティブマトリクスによる表示が可能である。
また、好ましくは、前記導波路は、その側面に導波路電極膜を備え、前記導波路電極膜に対向する対向電極膜と、前記導波路電極膜と前記対向電極膜間に配置された微粒子とを備え、前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加することで、前記微粒子を前記導波路電極膜に接触させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことができる構成である。このような構成であるため、前記微粒子を前記導波路電極膜に接触させることにより、前記微粒子と前記導波路とを一体化させることができ、前記導波路側面の形状を変化させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことができる。それにより、より均一で小さい圧力をかけるだけで、高効率な光の取り出しが可能である。
また、好ましくは、前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す。それにより、確実に光を取り出すことができる。
また、好ましくは、前記微粒子は帯電している。それにより、微粒子を静電力で制御することができるので、容易に制御することができる。
また、好ましくは、前記微粒子は磁性を有している。それにより、微粒子を静電力で制御することができるので、容易に制御することができる。
また、好ましくは、前記導波路電極膜の表面張力と前記微粒子表面の表面張力とが互いに異なる。それにより、導波路電極膜に微粒子が接触しやすくなる。そのため、低電圧で微粒子の接触および非接触を制御できる。
また、前記導波路電極膜には、塗布材料が塗布されている。それにより、導波路電極膜に微粒子が接触しやすくなる。そのため、低電圧で微粒子の接触および非接触を制御できる。
また、好ましくは、前記導波路電極膜および前記対向電極膜が、画素ごとに設けられている。それにより、アクティブマトリクスによる表示が可能である。
また、前記微粒子は、蛍光性を有している。それにより、光源からの光の波長を変えることで、様々な波長の光を取り出すことができる。
また、前記光源は、紫外光を発光する。それにより、光源が１種類のＬＥＤであっても、ＲＧＢ表示をすることが可能である。
また、前記光源は、３色ＬＥＤまたは３色レーザである。それにより、導波路の数を減らすことができる。
また、本実施の形態の表示装置は、好ましくは、上記の表示素子と、前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、前記アクチュエータを駆動させるアクチュエータ駆動回路と、前記光源駆動回路および前記アクチュエータ駆動回路を制御する制御回路とを備えている。それにより、低電力化、高輝度化および均一表示が可能な表示装置が実現される。
また、好ましくは、上記の表示素子と、前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加する微粒子駆動回路と、前記光源駆動回路および微粒子駆動回路を制御する制御回路とを備えている。それにより、低電力化、高輝度化および均一表示が可能な表示装置が実現される。
また、好ましくは、上記の表示素子と、前記各アクチュエータをそれぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えている。それにより、アクティブマトリクスによる表示装置が実現される。
また、好ましくは、上記の表示素子と、前記各導波路電極膜と前記各対向電極膜間の電圧をそれぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えている。それにより、アクティブマトリクスによる表示装置が実現される。
また、前記アクティブマトリクス素子は、ＴＦＴまたはＴＦＤとすればよい。
以下、本発明の実施形態のさらに具体的な例について図を用いて説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態に係る表示素子および表示装置について図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る表示素子１の構成を示す断面図である。実施の形態１の表示素子１は、光源２と、光源２から出射された光を伝播させる導波路３と、導波路３の形状を変形させる複数のアクチュエータ４とを備えている。
導波路３は、光が伝播するコア３ａとクラッド３ｂとを備えている。クラッド３ｂは、コア３ａの一方の面に沿って設置されている。クラッド３ｂの逆側の面にはクラッドは設置されていず、空気がクラッドとなっている。光が伝播するコア３ａとしては、例えば、非常に柔らかい素材であるシリコーンゲルの１００μｍ厚のシートを用いればよい。クラッド３ｂとしては、例えば、屈折率の低い透明なフッ素系ポリマーを用いればよい。コア３ａは１０μｍの厚みのクラッド３ｂでコートされている。
光源２は、導波路３の端部に設置されていて、光源２から出射された光が導波路３に結合するような向きに、光源２が設置されている。光源２としては、例えば、３色ＬＥＤを用いることが好ましい。３色ＬＥＤは、ＲＧＢ３色のＬＥＤチップが１つのランプに収納された構造で、各々の色を独立に制御できる。ＬＣＤやＰＤＰを用いた従来のフラットパネルディスプレイにおいては、ＲＧＢ３色の画素はストライプ状に分離されていた。しかし、実施の形態１のように、３色ＬＥＤを用いることで、一本の導波路３にＲＧＢ３色の光を入射させることができるため、一本の導波路３にＲＧＢ３色のいずれかを発光させることができる。なお、光源２からの光が、導波路３が薄い場合でも入射しやすいように、導波路３の入射個所にプリズム２ａを設置し、光学的に結合させることが好ましい。
アクチュエータ４は、圧電素子４ａと、圧電素子４ａのそれぞれ対向する面に設置された電極膜４ｂおよび電極膜４ｃとを備えている。アクチュエータ４は、導波路３のクラッド３ｂ側の側面に貼付されている。圧電素子４ａは、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とし、その両面に、例えば銀ペーストを塗布することで、複数の電極膜４ｂおよび電極膜４ｃを形成すればよい。アクチュエータ４は導波路３の側面つまりクラッド３ｂに粘着剤で貼付されている。各電極膜４ｂは、幅７０μｍであり、ピッチ９０μｍのストライプ状に形成されている。なお、このストライプは、図１において紙面に対して垂直な方向に伸びる形状である。このうち、電極膜４ｂが４本のストライプで１つのアクチュエータ４が構成されている。また、電極膜４ｂに対向する電極膜４ｃは導波路３に対して一様に広がるベタ塗りであって、複数のアクチュエータ４に対して共通化されている。
図１に示している表示素子１の導波路３の側面から光を取り出す方法について説明する。導波路３に設置されたアクチュエータ４の４本のストライプである電極膜４ｂに、交互に正と負の電圧を印加する。それにより、正の電圧が印加した電極膜４ｂが設置されている個所の圧電フィルム４ａが縮み、負の電圧が印加した電極膜４ｂが設置されている個所の圧電フィルム４ａが伸びる。クラッド３ｂの長さは一定であり変化しないため、図１に示しているようにアクチュエータ４が、交互に上に凸および下に凸となりうねる。つまり、アクチュエータ４が波状になる。それにより、クラッド３ｂもアクチュエータ４と同一形状に変形し、コア３ａのクラッド３ｂ側の表面も変形する。
電圧が無印加の場合は、クラッド３ｂと圧電フィルム４ａの長さが同じであるため、アクチュエータ４は平面形状である。
このように、電極膜４ｂおよび電極膜４ｃ間に印加する電圧を選択的に制御することで、導波路３の側面の形状を変化させることができる。
導波路３には、光源２から出射された所望の色の光が伝播している。ここで、電圧を選択的に印加することで、導波路３において、コア３ａのクラッド３ｂ側の表面の所望の個所に凹凸を発生させると、導波路３中を伝播してきた光のうち例えば、一点鎖線で表した光２ｃは、コア３ａ表面の角度が変化しているため、全反射したのち導波路３の側面（導波路３のアクチュエータ４が設置されていない側）から導波路３外部に出射される。また他の破線で表した光２ｂは、導波路３が変形していることにより、コア３ａおよびクラッド３ｂを透過して、銀である電極膜４ｃで反射することにより、散乱反射して導波路３の側面導波路３外部に出射される。
このようにして、電圧の印加を制御し、導波路３に入射する光源２からの出射光の色を制御することで、表示素子１の導波路３の側面（表示面１ａ）から所望位置および所望の色の光を取り出して、表示することができる。
また、アクチュエータ４への印加電圧が大きいほど導波路３の変形が大きくなる。測定によると、印加電圧をゼロから徐々に大きくするにつれて取り出し光の輝度増加が認められた。印加電圧が±３０ボルト程度で輝度は飽和し、導波路３に入射させた光源２からの光の８０％以上を外部へ取り出すことができた。
光源２としては出射光の指向性が高いものが、効率よく光を取り出すためには好ましい。図１の表示面１ａにおいて、導波路３において、コア３ａと空気との界面での全反射角は約６０°である。したがって、導波路３中を伝播している光の、表示面１ａの法線に対する角度（入射角）が臨界角である４１．８°より小さい場合は、光は導波路３から漏れる。逆に入射角が大きくなり、光の進行方向が導波路３に平行に近づくと、コア３ａ中では全反射を繰り返し、その全反射個所同士の間隔が非常に大きくなり、光を取り出したい個所を飛び越してしまい、効率の低下および輝度ムラの発生を招く。
これらの理由から、光源２から出射される光の導波路３への入射角は臨界角４１．８°より大きいが、なるべく臨界角４１．８°に近い角度にある、指向性の高い光が好ましい。例えば、光源２がＬＥＤの場合は、モールドするレンズの形状によって指向性を変えることができるので、３色ＬＥＤである光源２の出射光角度分布の半値幅を約１０°とした。
なお、ＬＥＤ以外の光源２を使うことも可能である。例えば、有機ＥＬパネルにマイクロレンズアレイを付けることで指向性を上げた光源２を用いてもよいし、半導体レーザを光源２として用いることも可能である。
また、導波路３の厚みは厚すぎると、導波路３中を伝播する光が表示面１ａ（導波路３および空気界面）で全反射を繰り返し、その全反射個所同士の間隔が非常に大きくなる。そのため、伝播光がアクチュエータ４の設置個所（画素）を飛び越えてしまい、取り出すことができない光線が生じる。そのため、導波路３の厚みは厚すぎないほうが好ましい。
具体的には、図１において、導波路３の厚みＤは、アクチュエータ４による導波路３の変形部分の長さＬ（導波路３中の光の伝播方向におけるアクチュエータ４の長さ）の１／２以下とするのが取り出し効率の点から好ましい。
導波路３の厚みは、画素数と表示画面のサイズにより決まる。アクチュエータ４による導波路３の変形部分の長さＬは、表示素子１において、一つの画素の横方向の長さ（導波路３中の光の伝播方向）にあたる。例えば、以下で説明する表示素子１を用いた表示装置１００が、その表示サイズが６０インチから１００インチのＨＤＴＶであるとする。その場合、例えば、一つの画素の大きさは、縦２３０．６μｍ×横６９１．８μｍ〜縦３８４．３μｍ×横１１５３μｍ程度である。なお、縦は導波路３中の光の伝播方向に対して垂直方向の長さであり、横は導波路３中の光の伝播方向の長さである。このときの導波路３の厚みＤは、３４５．９μｍ以下〜５７６．５μｍ以下が望ましい。導波路３の厚みＤは、アクチュエータ４による導波路３の変形部分の長さＬ（導波路３中の光の伝播方向におけるアクチュエータ４の長さ）の１／２以下が望ましい。
一方、導波路３の厚みが薄すぎると、導波路３で伝播できる光の角度が限定され、伝播光がシングルモードに近づくため、伝播する光量が減少する。また、導波路３の厚みが薄すぎると光が入射しにくくなる。そのため、コア３ａの厚みは、少なくとも３０μｍ以上であることが望ましい。
図２を用いて、実施の形態１に係る表示装置１００について説明する。図２は、実施の形態１に係る表示装置１００の構成を示す斜視図である。上述の表示素子１を、導波路３中の光の伝播方向に対して垂直であって、各表示素子１の表示面１ａが同一面上にあるように複数並べることで、表示装置１００を構成することができる。図２に示しているように、実施の形態１の表示装置１００において、表示素子１の導波路３は、画面の列方向（Ｘ方向）にｎ列並んで配置されている。なお、ｎは自然数である。各導波路３の端部には、それぞれ光源２が配置されていて、各導波路３には、アクチュエータ４が導波路３の伸びている方向である行方向（Ｙ方向）に、ｍ行分配置されている。この表示装置１００の画素数は、ｎ×ｍ個である。
実施の形態１の表示装置１００は、線順次にアクチュエータ４を動作させて導波路３の側面を変形させ、全反射により導波路３中を伝わる光の反射する方向を変えることにより光を導波路３内から取り出し、表示面１ａから出射させる。
このような構成の表示装置１００は、表示画面（ＸＹ面）の列方向に伸びた各々の導波路３に対応する光源２である３色ＬＥＤの各色チップへの印加電圧を、電極膜４ｂと電極膜４ｃとで取り出しを選択した行と交差する画素の色、輝度情報に基づいて制御することにより、任意の画像を表示することができる。
実施の形態１の表示装置１００の構成を示すブロック図を図３に示している。図３は、表示装置１００を実際に作動させるための具体的な構造である。表示装置１００は、上述した以外に各光源２を駆動させる光源駆動回路５０と、各電極膜４ｂおよび４ｃに電圧を印加してアクチュエータ４を動作させるアクチュエータ駆動回路５１と、これらの回路を同期させて、信号を入力し画像を表示させる制御回路５２とを備えている。制御回路５２は、アクチュエータ駆動回路５１で選択した行の画素のＲＧＢ各色の輝度情報を、光源駆動回路５０のドライバーＬＳＩに入力し、光源駆動回路５０は輝度情報に応じた印加電圧を光源２に入力することで、フルカラーの画像表示が可能となる。
光源２として、３色ＬＥＤを用いたので、１本の導波路３に３色の光を入射させることができる。それにより、１つの表示素子１つまり、１行で３色の光を表示することができる。液晶やＰＤＰなどの従来の表示装置では、画素はＲＧＢの３原色のサブピクセル３つから構成されていた。しかし、実施の形態１の導波路３を用いた表示装置では、列方向に伸びた導波路３は必ずしも色毎に分ける必要はなく、１本の導波路３に３原色を入射することができるので、導波路３（表示素子１）の数を減らすことができ、コスト低減の効果がある。
表示装置１００の各表示素子１において、アクチュエータ４に±３０Ｖの電圧を順次印加していくことで、面状に均一な明るい表示が確認できた。従来のエバネッセント波により光を取り出す構成では、クリーンルームでも多数存在するサブミクロンサイズの埃の影響などで、導波路と光取り出し面の距離をゼロにすることはできなかった。そのため、かなりの圧力で導波路に光取り出し面を押し付けても、高い取り出し効率を得ることは容易でなかった。
しかし、実施の形態１の表示装置１００の各表示素子１では柔らかい導波路を用いることにより、小さな外力で導波路の変形を生じさせて、導波路中を伝播する光の反射方向を変えることにより、光を取り出す。そのため、エバネッセント波を取り出すよりも、高い取り出し効率を得ることができた。
また、アクチュエータ４に圧電素子を用いているので、高速動作が可能である。そのため、高速の走査が可能であり、高精細の画像表示にも対応できる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る表示素子１１について、図４を用いて説明する。実施の形態２の表示素子１１と、実施の形態１の表示素子１とは、アクチュエータが異なる。それ以外の構成は略同一であるので、同一の機能を有する部材には同一符号を付し、説明を省略する。
図４に示しているように、実施の形態２の表示素子１１は、光源２と、光源２から出射された光を伝播させる導波路３と、導波路３を変形させるアクチュエータ１４とを備えている。光源２および導波路３は、実施の形態１の表示素子１と同一である。光源２は例えば３色ＬＥＤであって、光源２から出射された光は導波路３を伝播する。導波路３は、コア３ａとクラッド３ｂを備えていて、クラッド３ｂの反対側は、コア３ａが露出しているいので、空気がクラッドとなる。なお、実施の形態２においては、コア３ａはシリコーンゲル材料からなる厚み１００μｍの平板とし、クラッド３ｂは透明フッ素系樹脂とし、膜厚５μｍとした。
アクチュエータ１４は、導波路３側面に設置された電極膜１４ａと、電極膜１４ａに塗布された例えば厚さ０．１μｍのポリカーボネートの絶縁薄膜１４ｂと、絶縁薄膜１４ｂと対向して設置された厚さ０．１５ｍｍのＰＥＴフィルムからなる基板１４ｄと、基板１４ｄ上の絶縁薄膜１４ｂ側に形成された凹凸形状を有する外部電極膜１４ｃとを有する。凹凸形状を有する外部電極膜１４ｃは、基板１４ｄ上に複数あり、外部電極膜１４ｃごとに１つのアクチュエータ１４が構成されている。電極膜１４ａは、導波路３（クラッド３ｂ）全面に形成され、各アクチュエータ１４に対して共通である。
上記導波路３とアクチュエータ１４の作製方法は、例えば、コア３ａにクラッド３ｂをコートし、さらに、クラッド３ｂ表面にスクリーン印刷で例えば銀ペーストを塗布して電極膜１４ａを形成する。さらに電極膜１４ａ上にポリカーボネートを塗布して絶縁薄膜１４ｂを形成する。また、厚さ０．１５ｍｍのＰＥＴフィルムからなる基板１４ｄの表面に、鋸歯状の凹凸部１４ｅをストライプ状にプレス成形により形成する。凹凸部１４ｅは、例えば、断面が深さが３μｍで、ピッチが３０μｍとする。この凹凸部１４ｅ上にアルミ蒸着を施し、例えば、アルミである外部電極膜１４ｃを形成した。最後に、この基板１４ｄと導波路３とが対向するように配置した。
このような構成の表示素子１１の動作について説明する。
電極膜１４ａと電極膜１４ｂとの間に電圧を印加しない場合、図４に示した表示素子１１の両端部のように、凹凸形状の外部電極膜１４ｃの凸部と絶縁薄膜１４ｄとが接しているだけである。そのため、導波路３の側面は平面である。しかし、電極膜１４ａと外部電極膜１４ｃとの間に電圧を印加することで、これらの間に静電力が生じ、お互いに吸引し合う。それにより、図４に示した表示素子１１の中央部のように、電極膜１４ａと外部電極膜１４ｃとがくっつき合い、電極膜１４ａが外部電極膜１４ｃと同様な凹凸形状に変形する。また、電極膜１４ａは、導波路３と密着しているので、クラッド３ｂおよびコア３ａの表面が外部電極膜１４ｃと同様な凹凸形状に変形する。つまり、導波路３の側面が変形する。なお、コア３ａは特に柔らかいので大きく変形する。これにより、導波路３中を全反射しながら伝播している光を、導波路３の側面から外部に取り出すことができる。導波路３中をコア３ａの表面で全反射しながら伝播している光１２ｃを、導波路３の一方の側面を変形させることで、実施の形態１と同様に、導波路３の他方の側面から外部に漏らすことができる。
つまり、コア３ａ表面の所望の個所が凹凸形状に変形すると、導波路３中を伝播してきた光のうち例えば、一点鎖線で表した光１２ｃは、コア３ａ表面の角度が変化しているため、全反射したのち導波路３の側面（導波路３のアクチュエータ４が設置されていない側）から導波路３外部に出射される。また、例えば、コア３ａおよびクラッド３ｂを透過して、銀である電極膜１４ａで反射することにより、散乱反射して導波路３の側面導波路３外部に出射される光もある。
このようにして、電圧の印加を制御し、導波路３に入射する光源２からの出射光の色を制御することで、表示素子１の導波路３の側面（表示面１ａ）から所望位置および所望の色の光を取り出して、表示することができる。
実際に、３色ＬＥＤの光源２から光を導波路３に入射し、電極膜１４ａと外部電極膜１４ｃとの間に選択電圧として＋１０ボルトを印加し、非選択個所には０ボルトを印加して、線順次走査を行うと、導波路３の側面（表示面１ａ）から均一で明るい表示が得られた。低電圧でも、光源２の入射光をほぼ完全に外部で取り出すことが可能となり、電力効率の高い表示素子１を実現できた。
図４の表示素子１１を、図２に示したように、導波路３中の光の伝播方向に対して垂直であって、各表示素子１１の表示面１ａが同一面上にあるように複数並べることで、表示装置１００と同様に、表示装置を構成することができる。表示素子１１を画面の列方向にｎ列並べて配置し、アクチュエータ１４が導波路３の伸びている方向（行方向）に、ｍ行分配置されている場合の画素数は、ｎ×ｍ個である。
導波路３の側面（表示面１ａ）から取り出して、画像表示を行う方法は、実施の形態１の表示装置１００と同様であるので、説明を省略する。実施の形態１の表示装置と実施の形態２の表示装置とは、アクチュエータの構造が異なるだけで、他の構造はほぼ同一である。
また、実施の形態２の表示装置を実際に作動させるためには、図３に示しているように、各光源２を駆動させる光源駆動回路５０と、各電極膜１４ａおよび１４ｃに電圧を印加してアクチュエータ１４を動作させるアクチュエータ駆動回路５１と、これらの回路を同期させて、信号を入力し画像を表示させる制御回路５２とを備えればよい。
従来のＸＹマトリクス型平面表示素子は、行電極と列電極間に光変調媒体を挟む為に、クロストーク現象が発生したりして大型化しにくかった。しかし、実施の形態１および２の表示装置では、行側、及び列側の駆動回路に電気的な繋がりがないので、クロストーク現象は本質的に発生せず、しかも構成が簡易なため、大型化が容易である。しかも、高温プロセスが必要なＩＴＯを特に設ける必要がなく、簡易な構造であるため、フィルムのような薄いフレキシブルな表示装置を実現できる。また、光源としてＬＥＤのような発光効率の高いものを用いたので、高い光取り出し効率を、低電力のアクチュエータで実現できるため、消費電力も低くすることが可能である。
以上のように、実施の形態１および２の表示素子および表示装置は、柔らかい導波路を用いることにより、壁に掛けるまたは貼れるような大画面、薄型で、かつ発光効率の高い低消費電力の画期的なディスプレイを実現することができる。
なお、実施の形態１および２では、導波路３のコア３ａをシリコーンゲルとした例を記載したが、容易に変形する、いわゆるゴム状弾性を示す透明な素材、例えば、ウレタン系などのゴムでも同様に効果がある。コア３ａとしては、ヤング率で１０６Ｎ／ｍ２台より小さい素材がよい。
また、実施の形態１および２では、コア３ａ全体を同一の素材で構成したが、導波路３のコア３ａ表面が変形しやすければよいので、例えば、導波路３の表側を通常のプラスチックなどの硬い素材で構成し、変形する個所にのみ柔らかい層を設ける積層構造としてもよい。また、クラッド３ｂを設けずコア３ａのみで構成し、両側のクラッドが空気である導波路３を用いてもよい。また、ハンドリングしやすいようにコア３ａの両面にクラッドが設けられた導波路３としてもよい。
なお、実施の形態１および２では、導波路３は列数分だけ並置し、多数の３色ＬＥＤである光源２を並べた単純マトリクス型の表示装置を示したが、光源の種類やアクチュエータの種類、あるいはこれらの配置などの構成はこれらに限定されるわけではない。柔らかい導波路３を変形させることにより低電力で高い取り出し効率を得ることができる構成であればよい。例えば、導波路３を１枚の平板にし、光源２を１つにし、アクチュエータ４または１４を画素数分だけＸＹのマトリクス配置にする構成でもよい。この場合、アクチュエータ４または１４を駆動するアクティブ素子を各アクチュエータに付加して、画素毎に駆動し、コアが変形する時間を制御して階調表現すればよい。アクティブ素子としては、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｌａｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、薄膜トランジスタ）やＴＦＤ（Ｔｈｉｎ Ｆｌａｔ Ｄｉｏｄｅ、薄膜ダイオード）を用いればよい。
実施の形態１および２の表示素子および表示装置によれば、導波路３中を伝播する光を導波路の側面から取り出す方式の表示素子および表示装置において、光取り出し効率を向上させて、低消費電力化、高輝度化が可能になり、また表示の均一性が改善される。また、１００インチを超えるような大画面でもモバイル向けの小型の画面でも、画面サイズによらずシート状の薄型の表示装置が実現できる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る表示素子について図５を用いて説明する。図５は実施の形態３に係る表示素子２１の構成を示す断面図である。図５に示しているように、表示素子２１は、光源２２と、導波路２３と、導波路２３に対向する対向電極膜２５と、導波路２３近傍に配置された微粒子２６とを備えている。
導波路２３は、光が伝播するコア２３ａと、クラッド２３ｂと、導波路電極膜２３ｃとを備えている。コア２３ａには、例えば素材として非常に柔らかい素材であるアクリル樹脂からなる１００μｍ厚のシートを用いている。また、コア２３ａの片方の表面には、クラッド２３ｂとして屈折率の低い透明なフッ素系ポリマーを１０μｍの厚みでコートしている。導波路電極膜２３ｃは、ＩＴＯであり、コア２３ａのクラッド２３ｂとは反対側の面に粘着剤で直接貼付されている。クラッド２３ｂは、コア２３ａの片面にしか設置されておらず、逆の面には、導波路電極膜２３ｃが複数設置されている。導波路電極膜２３ｃはＩＴＯであり、導波路２３が伸びている方向に沿って複数形成されている。導波路電極膜２３ｃの、導波路２３中の光の伝播方向における長さＷは、例えば、３００μｍである。クラッド２３ｂの反対側のクラッドは空気である。また、導波路電極膜２３ｃは、コアの一部であり、導波路２３中を伝播する光は、導波路電極膜２３ｃと空気との界面でも全反射する。なお、クラッド２３ｂを設けない構造でもよい。
光源２２は導波路２３の端部に設置されていて、光源２２から出射された光が導波路２３に結合するような向きに、光源２２は設置されている。導波路２３の入射個所にプリズム２２ａを設置し、光学的に結合させることが好ましい。なお、光源２２は、実施の形態１の光源２と同様とすればよく、例えば、３色ＬＥＤを用いることが好ましい。
光源２２としては指向性が高いものが、導波路２３から効率よく光を取り出すことができるために好ましい。導波路２３において、コア２３ａと空気との界面での全反射角は、約６０°である。図５の断面図には、導波路２３での光の伝播の様子が概念的に示されている。
光源２２から出射された破線で表した光２２ｂの導波路２３への入射角（表示面２１ａの法線に対する角度）が、実施の形態３における臨界角である４１．８°より小さいと、光２２ｂは導波路２３から洩れてしまう。逆に、一点鎖線で表した光２２ｃのように、臨界角４１．８°より入射角が大きくなりすぎると、光２２ｃの進路が導波路２３と平行に近づく。それにより、コア２３ａおよび導波路電極膜２３ｃ中で全反射を繰り返し、その全反射個所同士の間隔が非常に大きくなり、光を取り出したい個所を飛び越してしまい、効率の低下および輝度ムラの発生を招く。また、特開平７−２８７１７６号公報の図３にも記載されているように、エバネッセント波の取り出し率が小さくなり効率が低下する。これらの理由から、光源２２から出射される光の導波路２３への入射角は臨界角４１．８°より大きいが、なるべく臨界角４１．８°に近い角度がよく、指向性の高い光源２２が好ましい。例えば、光源２２がＬＥＤの場合は、モールドするレンズの形状によって指向性を変えることができるので好ましい。そこで、実施の形態３では、出射光角度分布の半値幅を約１０°とした３色ＬＥＤを光源２２を用いている。
なお、光源２２としては、ＬＥＤ以外では、有機ＥＬパネルにマイクロレンズアレイを付ける事で指向性を上げものを用いてもよいし、半導体レーザを用いることも可能である。光源２２を３色ＬＥＤとすることで、１本の導波路２３に３色の光を入射させやすくなる。液晶やＰＤＰなどの従来のディスプレイでは、画素はＲＧＢの３原色のサブピクセル３つから構成されていたが、このようにすることで、列方向に伸びた導波路２３は必ずしも色毎に分ける必要はなく、１本の導波路２３に３原色を入射すれば導波路２３の数を減らすことができ、コスト低減の効果がある。
対向電極膜２４は導波路２３に対向するように設置されている。例えば対向電極膜２４はＩＴＯであり、アクリル樹脂の基板２５上に成膜されている。導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４との間隔は、例えば３５μｍとする。
導波路２３近傍には、微粒子２６が配置されている。微粒子２６は、導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４との間に位置し、アクリル樹脂からなり、帯電している。微粒子２６の平均粒子径は、例えば、６μｍである。導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４との間の空間に、充填率が２０％となるように微粒子２６が充填されている。なお、充填率とは、単位体積当たりの微粒子の占有する体積の比である。微粒子２６の占有する体積は、微粒子２６の平均粒子径から求めた微粒子一個当たりの体積に、単位体積当たりの微粒子２６の個数を乗じることで求めることができる。
例えば、選択する導波路電極膜２３ｃを負とし、対向電極膜２４が正となるように７０Ｖの電圧を印加したところ、微粒子２６は導波路電極膜２３ｃ表面に接触する。それにより、微粒子２６と導波路２３とが一体化されることになる。つまり、微粒子２６が導波路２３側面の一部となり、導波路２３における導波路電極膜２３ｃ側の側面の形状が変化することになる。
導波路２３には、光源２２から出射された所望の色の光が伝播している。ここで、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４に、電圧を選択的に印加することで、導波路２３の導波路電極膜２３ｃ側の側面の形状が微粒子２６により変化する。導波路２３の形状が変化することで、伝播状態が変化し、導波路２３中を伝播してきた光が、導波路２３の導波路側面から外部に漏れ出る。微粒子２６の屈折率は、コア２３ａもしくはクラッド２３ｂの屈折率の近傍とすることで、微粒子２６から外部に光を取り出すことができる。例えば、微粒子２６の屈折率は、コア２３ａの屈折率とほぼ等しくなるのが望ましい。
このように、微粒子２６と導波路電極膜２３ｃとの接触部分から光が漏れるので、アクリル樹脂の基板２５方向に光を取り出すことができるので、基板２５を表示画面とすることができる。
一方、電界が逆、すなわち導波路電極膜２３ｃが正で、対向電極膜２４が負となるように７０Ｖの電圧を印加すると、微粒子２６は導波路電極膜２３ｃから離れる。そのため、導波路２３中を伝播している光は漏光として取り出すことができず、そのまま導波路２３中を導波するので、表示はされない。
このように、個々の微粒子２６が導波路電極膜２３ｃと接触することにより光が導波路２３の側面から取り出されるので、接触面積が小さく、従来の平板状の圧電素子のように面内全体での接触が不必要となる。そのため、より均一で小さい圧力を導波路２３に与えることができ、さらにその圧力は静電気的に与えられていて、制御が可能である。なお、上述の説明では、帯電した微粒子２６を用いたが、他にも、磁性を有する微粒子を用いて、対向電極膜２４と導波路電極膜２３ｃとの間において磁界を制御することで、微粒子２６の導波路２３表面への接触および非接触を制御してもよい。
また、微粒子２６として、蛍光色素であるローダミンを含むアクリル樹脂からなる微粒子２６を用いてもよい。この際、光源２２として、波長５２０ｎｍの光を出射する緑色ＬＥＤを用いて、導波路２３の側面からの取り出された光は、波長５８０ｎｍのオレンジ光であることが観測された。このように、蛍光色素や蛍光体を含有する微粒子２６と、これらの蛍光色素や蛍光体の励起波長に対応するＬＥＤ光源２２とを選択して用いることにより、様々な波長の光を取り出すことができる。また、光源２２として紫外光ＬＥＤを用い、ＰＤＰで用いられている蛍光体を微粒子２６として用いることにより、単色のＬＥＤを光源２２としても、ＲＧＢを表示することが可能である。
図６を用いて、実施の形態３に係る表示装置３００について説明する。図６は、実施の形態３に係る表示装置３００の構成を示す斜視図である。上述の表示素子２１を、導波路２３中の光の伝播方向に対して垂直であるように複数並べることで、表示装置３００を構成することができる。図６に示しているように、実施の形態３の表示装置３００において、表示素子２１の導波路２３は、画面の列方向（Ｘ方向）にｎ列並んで配置されている。なお、ｎは自然数である。導波路２３の端部には、それぞれ光源２２が配置されている。導波路２３の側面には、導波路電極膜２３ｃが導波路２３の伸びている行方向（Ｙ方向）に、ｍ行分配置されている。各表示素子２１の対向電極膜２４は共通とし、すべての表示素子２４の導波路２３を覆うように設置されている。また、導波路電極膜２３ｃも同一行については、各導波路２３対して共通としその行を覆うように設置されている。この表示装置３００の画素数は、ｎ×ｍ個である。
実施の形態３の表示装置３００は、線順次に導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４との間に印加する電圧を制御することで導波路電極膜２３ｃに微粒子２６を接触または非接触させて、全反射により導波路２３中を伝播する光を導波路２３の側面から取り出し、対向電極膜２４方向へ出射させる。
このような構成の表示装置３００は、表示画面（ＸＹ面）の列方向に伸びた各々の導波路２３に対応する３色ＬＥＤの各色チップへの印加電圧を、導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４とで取り出しを選択した行と交差する画素の色、輝度情報に基づいて制御することにより、任意の画像を表示することができる。
実施の形態３の表示装置３００の構成を示すブロック図を図７に示している。図７は、表示装置３００を実際に作動させるための具体的な構造である。表示装置３００は、上述した以外に各光源２２を駆動させる光源駆動回路６０と、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４に電圧を印加して微粒子２６を導波路電極膜２３ｃに接触あるいは非接触させる微粒子駆動回路６１と、これらの回路を同期させて、信号を入力し画像を表示させる制御回路６２とを備えている。制御回路６２は、微粒子駆動回路６１で選択した行の画素のＲＧＢ各色の輝度情報を、光源駆動回路６０のドライバーＬＳＩに入力し、光源駆動回路６０は輝度情報に応じた印加電圧を光源２２に入力することで、フルカラーの画像表示が可能となる。
光源２２として、３色ＬＥＤを用いたので、１本の導波路３３に３色の光を入射させることができる。それにより、１つの表示素子２１つまり、１行で３色の光を表示することができる。液晶やＰＤＰなどの従来の表示装置では、画素はＲＧＢの３原色のサブピクセル３つから構成されていた。しかし、実施の形態３の導波路２３を用いた表示装置では、列方向に伸びた導波路３は必ずしも色毎に分ける必要はなく、１本の導波路２３に３原色を入射することができるので、導波路２３（表示素子２１）の数を減らすことができ、コスト低減の効果がある。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る表示素子３１について図８を用いて説明する。実施の形態４に係る表示素子３１は実施の形態３に係る表示素子２１の導波路２３の導波路電極膜２３ｃ設置側表面に、表面張力が比較的大きな塗布材料３７が塗布されている構成である。塗布材料３７の表面張力は、具体的には、５０ｍＮ／ｍ以上が望ましい。塗布材料３７は、コア２３ａおよび導波路電極膜２３ｃを覆っていて、塗布材料３７は、コアの一部であり、導波路２３中を伝播する光は、塗布材料３７と空気との界面でも全反射する。塗布材料３７以外の部材は同一の機能を示すので同一の符号を付し、説明を省略する。
塗布材料３７は、例えば、グリセリンであって、表面張力は、６３．４ｍＮ／ｍであり、厚さが例えば２μｍ程度になるように塗布されている。また、微粒子２６には表面張力の小さい材料を用いることが好ましい。微粒子２６の表面張力は、具体的には、３０ｍＮ／ｍ以下が望ましい。
例えば、テフロン（登録商標）（表面張力は、１８．４ｍＮ／ｍ）からなる微粒子２６を用いて実際に表示素子３１を形成した。微粒子２６の平均粒子径は６μｍとし、導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４と間の空間の微粒子２６の充填率を２０％とした。選択する行の導波路電極膜２３ｃが負であり、対向電極膜２４が正となるように５０Ｖ電圧を印加した。それにより、微粒子２６が導波路電極膜２３ｃ表面に接触し、接触部分からの漏光が基板２５方向に取り出される。一方、電界が逆、すなわち導波路電極膜２３ｃが正であり、対向電極膜２４が負となるように５０Ｖ電圧を印加する。それにより、微粒子２６が導波路電極膜２３ｃの表面から離れるため、光源２２から導波路２３中を伝播している光を漏光として取り出すことができない。この際に、実施の形態４の表示素子３１においては、少ない電圧で、表示または非表示の切り替えができる。これは、塗布材料３７であるグリセリンの表面張力が微粒子２６であるテフロン（登録商標）の表面張力に比べて充分大きいためである。それにより、微粒子２６と塗布材料３７との接触面での所謂弾きが大きくなる。弾きとは、微粒子２６の表面に塗布材料３７が広がらずに、弾かれる物理現象である。つまり、微粒子２６と塗布材料３７との弾きが大きいほうが、微粒子２６と導波路電極膜２３ｃとの接触における反発が大きい。そのために、微粒子２６が導波路電極膜２３ｃから離れやすい。したがって、低い電圧で、微粒子２６と導波路電極膜２３との接触および非接触を制御することができる。
このように、微粒子２６とは表面張力の異なる塗布材料３７をコア２３ａ表面および導波路電極膜２３ｃに設けたことにより、微粒子２６の接触制御に必要な電圧を低下させることができた。なお、微粒子２６の表面張力は導波路２３（導波路電極膜２３ｃ）表面の表面張力と異なればよい。しかし、微粒子２６の表面張力が導波路２３表面の表面張力よりも小さい構成が一般的である。
図８の表示素子３１を、図６に示したように、導波路２３中の光の伝播方向に対して垂直であって、各表示素子３１の表示面２１ａが同一面上にあるように複数並べることで、表示装置３００と同様に、表示装置を構成することができる。表示素子３１を画面の列方向にｎ列並べて配置し、導波路電極膜２３ｃが導波路３の伸びている方向（行方向）に、ｍ行分配置されている場合の画素数は、ｎ×ｍ個である。
導波路２３の側面（表示面２１ａ）から所望の光を取り出して、画像表示を行う方法は、実施の形態３の表示装置３００と同様であるので、説明を省略する。実施の形態４の表示装置と実施の形態５の表示装置との異なる点は、導波路２３表面に塗布材料３７を設置している点であり、他の構造は略同一である。
また、実施の形態４の表示装置を実際に作動させるためには、図７に示しているように、各光源２２を駆動させる光源駆動回路６０と、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４に電圧を印加して微粒子２６を導波路電極膜２３ｃに接触あるいは非接触させる微粒子駆動回路６１と、これらの回路を同期させて、信号を入力し画像を表示させる制御回路６２とを備えればよい。
実施の形態３および４の表示装置では、列方向に伸びた各々の導波路２３に対応する光源２２である３色ＬＥＤの各色チップへの印加電圧を、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４で選択した行と交差する画素の色、輝度情報に基づいて制御することにより、任意の画像を表示していた。しかし、光源の種類や配置などの構成はこれらに限定されるわけではない。例えば、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４を画素数分だけＸＹのマトリクス配置にする構成でもよい。この場合は、アクティブ素子を、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４に接続し、画素毎に駆動するようにすればよい。アクティブ素子としては、例えば、ＴＦＴやＴＦＤを用いればよい。
実施の形態３および４に係る表示素子および表示装置によれば、導波路の端面から光を導入し、光導波路コア表面光を取り出す方式の表示装置において、微粒子の接触を制御することにより、光取り出し効率を向上させて、低消費電力化、高輝度化が可能になる。また、表示の均一性が改善される。実施の形態３および４により、１００インチを超えるような大画面でもモバイル向けの小型の画面でも、画面サイズによらずシート状の薄型の表示装置が実現できる。
本発明者は、従来構成として、前述の「Ｘ．Ｚｈｏｕ、Ｅ．Ｇｕｌａｒｉ、“Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ”、ＳＩＤ９８ ＤＩＧＥＳＴ、１０２２頁〜１０２５頁、１９９８年」と同様の構成で導波路から光を取り出す表示装置を作成した。しかし、導波路の厚みが従来のように画素の幅（光の伝播方向の幅）より厚い構成では、輝度が低く、厚みを薄くするほど明るさが増すことに気が付いた。
この理由は上述の、コアと空気との界面で伝播光が全反射を繰り返す導波路において、全反射個所同士の距離が、導波路の厚みに依存しているからである。例えば反射角４５°で全反射する場合で全反射個所同士の距離は、導波路の厚みの２倍になる。そのため、少なくとも導波路の厚みを、光の伝播方向の画素の幅の１／２以下にしなければならない。こうしないと、全反射個所同士の距離が画素の幅より大きくなって、反射光が画素を飛び越えてしまい、導波路側面から取り出すことができない。
したがって、実施の形態１〜４の表示素子における導波路の厚みは画素の幅の１／２以下にするのが取り出し効率の点から好ましく、さらには入射光の角度分布を考慮すると、さらに薄い方が望ましい。なお、具体的には、画素の幅とは、実施の形態１および２の表示素子においては、図１および２の電極４および１４の導波路３の長手方向の長さであり、実施の形態３および４においては、図５および６の導波路電極膜２３ｃ導波路２３の長手方向の長さである。
例えば、導波路３および２３の厚さを、画素の幅の１／４以下にすると、反射角６０°以下の光をも取り出せるようになる。このような導波路に、指向性の高いＬＥＤの光を入射すれば、入射光をほぼ完全に取り出すことができる。一方、導波路３および２３の厚みが薄すぎると、導波路３および２３で伝播できる光の角度が限定されるシングルモードに近づいてしまう。そのため、伝達できる光量が減少する。さらに、導波路３および２３の厚みが薄すぎると、光を入射しにくくなることから、導波路３および２３の厚みは少なくとも３０μｍ以上であることが望ましい。
なお、実施の形態１〜４の表示素子の光源２、２２は、例えば、３色レーザ（ＲＧＢ）としてもよい。
【産業上の利用可能性】
本発明の表示素子および表示装置は、大画面でもモバイル向けの小型画面でも、画面サイズによらずシート状の薄型の表示装置に用いられる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【技術分野】
本発明は、導波路を伝播する光を導波路側面から取り出すことにより表示を行う表示素子およびそれを用いた表示装置に関する。
【背景技術】
導波路中を伝播する光を導波路の側面から取り出す表示装置は、例えば、特開平７−２８７１７６号公報（特に、第６〜第７頁および図１〜図２０）や、特開平１１−２０２２２２号公報（特に、第３〜第４頁、段落（００１０）および図２）に開示されている。これらの表示装置は、光取り出し部に接続されている、セラミックの圧電体膜からなるアクチュエータ部を備えている。アクチュエータ部に電圧を印加することで、アクチュエータ部の静止と変位を行い、光取り出し部を光導波路に接触または離隔して、光導波路の側面からの漏光を制御して取り出す。
上述の方式を用いて、大型表示パネルとして表示装置が実用化されている。商品化されたものが、例えば、「セラムビジョン、セラムボードのカタログ、〔平成１４年７月２５日検索〕、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｇｋ．ｃｏ．ｊｐ／ＥＬＥ／ｐｒｏｄｕｃｔ／０７／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞（第５頁左下欄）」に記載されている。
従来のディスプレイにおいては、導波路と光取り出し部とを光の波長以下の距離で接触させることにより、導波路内を全反射して伝播していた光を導波路の側面から外へ漏光させる。つまり、いわゆるエバネッセント波を取り出すものである（特に、特開平７−２８７１７６号公報の段落（０００９）および特開平１１−２０２２２２号公報の請求項１参照）。つまり、特開平７−２８７１７６号公報の図１および図４などに示されているように、平板状の導波路に、変位伝達部（光取り出し部）のフラットな表面が接触するか否かで導波路側面からの光の取り出しを制御する。
また、特開平１１−２０２２２２号公報の図３には、全反射面で全反射している光のエバネッセント光を、全反射面に近接させた抽出面で抽出する際の、光の透過率が示されている。これによると、全反射面への入射角が５０°〜８０°の場合の光において、全反射面と抽出面との距離が０．１〜０．０５μｍで、透過率が５０％程度になることが示されている。
また、例えば、「Ｘ．Ｚｈｏｕ、Ｅ．Ｇｕｌａｒｉ、“Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ”、ＳＩＤ９８ ＤＩＧＥＳＴ、１０２２頁〜１０２５頁、１９９８年」には、アクチュエータ部として、ポリイミドのフィルムに金属電極膜を形成した静電アクチュエータを用い、ＬＥＤを光源とした表示装置が開示されている。この表示装置は、光取り出し部の幅が０．２３ｍｍに対して、導波路の厚みが０．５ｍｍである。また、導波路の表面はＩＴＯ膜で、これと接する光取り出し部の表面には、ポリイミドに散乱性を与える二酸化チタン粒子を混ぜた膜を電極上に形成したものが形成されており、この膜はポリイミドより硬い複合素材となっている。
上述の従来の表示装置では、導波路中を伝播する光の導波路から取り出す効率が低い。さらに、光取り出し部を導波路へ押し付ける圧力が大きくないと、取り出された光の明るさが不十分であり、かつ不均一であった。
【発明の開示】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、導波路中を伝播する光を導波路の側面から高効率で取り出すことのできる表示素子および表示装置を提供することを目的とする。
本発明の表示素子は、光源と、前記光源から出射された光を伝播させる導波路とを備え、導波路中を伝播している光を導波路側面より外部へ取り出す表示素子であって、前記導波路側面の形状を変化させることで、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１に係る表示素子の構成を示す断面図である。
図２は、本発明の実施の形態１に係る表示装置の構成を示す斜視図である。
図３は、本発明の実施の形態１に係る表示装置の構成を示すブロック図である。
図４は、本発明の実施の形態２に係る表示素子の構成を示す断面図である。
図５は、本発明の実施の形態３に係る表示素子の構成を示す断面図である。
図６は、本発明の実施の形態３に係る表示装置の構成を示す斜視図である。
図７は、本発明の実施の形態３に係る表示装置の構成を示すブロック図である。
図８は、本発明の実施の形態４に係る表示素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の表示装置は、導波路側面の形状を変化させることで、導波路中を伝播している光を導波路側面から取り出すので、伝播している光を高効率で取り出すことができる。それにより、明るく、均一な表示が可能である。
また、好ましくは、前記導波路の形状を変形させる複数のアクチュエータをさらに備え、前記アクチュエータを選択的に動作させることにより、前記導波路側面の形状を変化させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出す。それにより、導波路中を伝播している光を高効率で取り出すことができる。
また、好ましくは、前記導波路は、コアおよび前記コアの一つの側面に沿って形成されたクラッドを備え、前記アクチュエータは、前記クラッドに貼付されていて、前記アクチュエータの変形により、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、導波路中を伝播している光を高効率で取り出すことができる。
また、好ましくは、前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す。それにより、確実に光を取り出すことができる。
また、好ましくは、前記アクチュエータは、前記導波路側面に貼付されていて、前記アクチュエータの変形により、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、容易に光を取り出すことができる。
また、好ましくは、前記アクチュエータは、圧電素子を含み、前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記圧電素子を変形させて、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、高速に動作するアクチュエータを形成できるので、高精度の画像表示にも対応できる。
また、好ましくは、前記アクチュエータは、前記導波路側面に設置された第１電極膜と、前記電極膜に積層された圧電素子と、前記圧電素子に積層された第２電極膜とを備え、前記導波路側面に設置された前記第１電極膜と前記圧電素子に積層された前記第２電極膜との間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を変形させて、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、小さな外力で、高効率な光の取り出しができる。
また、好ましくは、前記アクチュエータは凸部を備え、前記導波路の側面を前記凸部で押圧することにより、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、容易に高効率な光の取り出しができる。
また、前記アクチュエータは、前記導波路側面に設置された電極膜と、前記導波路に対向して、近接している外部電極膜とを備え、前記外部電極膜と前記電極膜との間に電圧を印加することにより生じる静電力により、前記導波路側面の形状を変化させる。それにより、容易に高効率な光の取り出しができる。
前記外部電極膜は、前記導波路側面側に凸部を有し、前記静電力により、前記外部電極膜の前記凸部が、前記導波路側面を押圧することで、前記導波路の形状を変化させる。それにより、高速に動作するアクチュエータを形成できるので、高精度の画像表示にも対応できる。
また、好ましくは、前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す。それにより、確実に光を取り出すことができる。
また、好ましくは、前記導波路の少なくとも一部が弾性体からなる。それにより、小さな外力で高効率な光の取り出しが可能である。
また、好ましくは、前記導波路の少なくとも一部が透明なゲルからなる。それにより、小さな外力で高効率な光の取り出しが可能である。
また、好ましくは、前記アクチュエータが画素ごとに形成されている。それにより、アクティブマトリクスによる表示が可能である。
また、好ましくは、前記導波路は、その側面に導波路電極膜を備え、前記導波路電極膜に対向する対向電極膜と、前記導波路電極膜と前記対向電極膜間に配置された微粒子とを備え、前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加することで、前記微粒子を前記導波路電極膜に接触させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことができる構成である。このような構成であるため、前記微粒子を前記導波路電極膜に接触させることにより、前記微粒子と前記導波路とを一体化させることができ、前記導波路側面の形状を変化させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことができる。それにより、より均一で小さい圧力をかけるだけで、高効率な光の取り出しが可能である。
また、好ましくは、前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す。それにより、確実に光を取り出すことができる。
また、好ましくは、前記微粒子は帯電している。それにより、微粒子を静電力で制御することができるので、容易に制御することができる。
また、好ましくは、前記微粒子は磁性を有している。それにより、微粒子を静電力で制御することができるので、容易に制御することができる。
また、好ましくは、前記導波路電極膜の表面張力と前記微粒子表面の表面張力とが互いに異なる。それにより、導波路電極膜に微粒子が接触しやすくなる。そのため、低電圧で微粒子の接触および非接触を制御できる。
また、前記導波路電極膜には、塗布材料が塗布されている。それにより、導波路電極膜に微粒子が接触しやすくなる。そのため、低電圧で微粒子の接触および非接触を制御できる。
また、好ましくは、前記導波路電極膜および前記対向電極膜が、画素ごとに設けられている。それにより、アクティブマトリクスによる表示が可能である。
また、前記微粒子は、蛍光性を有している。それにより、光源からの光の波長を変えることで、様々な波長の光を取り出すことができる。
また、前記光源は、紫外光を発光する。それにより、光源が１種類のＬＥＤであっても、ＲＧＢ表示をすることが可能である。
また、前記光源は、３色ＬＥＤまたは３色レーザである。それにより、導波路の数を減らすことができる。
また、本実施の形態の表示装置は、好ましくは、上記の表示素子と、前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、前記アクチュエータを駆動させるアクチュエータ駆動回路と、前記光源駆動回路および前記アクチュエータ駆動回路を制御する制御回路とを備えている。それにより、低電力化、高輝度化および均一表示が可能な表示装置が実現される。
また、好ましくは、上記の表示素子と、前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加する微粒子駆動回路と、前記光源駆動回路および微粒子駆動回路を制御する制御回路とを備えている。それにより、低電力化、高輝度化および均一表示が可能な表示装置が実現される。
また、好ましくは、上記の表示素子と、前記各アクチュエータをそれぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えている。それにより、アクティブマトリクスによる表示装置が実現される。
また、好ましくは、上記の表示素子と、前記各導波路電極膜と前記各対向電極膜間の電圧をそれぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えている。それにより、アクティブマトリクスによる表示装置が実現される。
また、前記アクティブマトリクス素子は、ＴＦＴまたはＴＦＤとすればよい。
以下、本発明の実施形態のさらに具体的な例について図を用いて説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態に係る表示素子および表示装置について図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る表示素子１の構成を示す断面図である。実施の形態１の表示素子１は、光源２と、光源２から出射された光を伝播させる導波路３と、導波路３の形状を変形させる複数のアクチュエータ４とを備えている。
導波路３は、光が伝播するコア３ａとクラッド３ｂとを備えている。クラッド３ｂは、コア３ａの一方の面に沿って設置されている。クラッド３ｂの逆側の面にはクラッドは設置されていず、空気がクラッドとなっている。光が伝播するコア３ａとしては、例えば、非常に柔らかい素材であるシリコーンゲルの１００μｍ厚のシートを用いればよい。クラッド３ｂとしては、例えば、屈折率の低い透明なフッ素系ポリマーを用いればよい。コア３ａは１０μｍの厚みのクラッド３ｂでコートされている。
光源２は、導波路３の端部に設置されていて、光源２から出射された光が導波路３に結合するような向きに、光源２が設置されている。光源２としては、例えば、３色ＬＥＤを用いることが好ましい。３色ＬＥＤは、ＲＧＢ３色のＬＥＤチップが１つのランプに収納された構造で、各々の色を独立に制御できる。ＬＣＤやＰＤＰを用いた従来のフラットパネルディスプレイにおいては、ＲＧＢ３色の画素はストライプ状に分離されていた。しかし、実施の形態１のように、３色ＬＥＤを用いることで、一本の導波路３にＲＧＢ３色の光を入射させることができるため、一本の導波路３にＲＧＢ３色のいずれかを発光させることができる。なお、光源２からの光が、導波路３が薄い場合でも入射しやすいように、導波路３の入射個所にプリズム２ａを設置し、光学的に結合させることが好ましい。
アクチュエータ４は、圧電素子４ａと、圧電素子４ａのそれぞれ対向する面に設置された電極膜４ｂおよび電極膜４ｃとを備えている。アクチュエータ４は、導波路３のクラッド３ｂ側の側面に貼付されている。圧電素子４ａは、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とし、その両面に、例えば銀ペーストを塗布することで、複数の電極膜４ｂおよび電極膜４ｃを形成すればよい。アクチュエータ４は導波路３の側面つまりクラッド３ｂに粘着剤で貼付されている。各電極膜４ｂは、幅７０μｍであり、ピッチ９０μｍのストライプ状に形成されている。なお、このストライプは、図１において紙面に対して垂直な方向に伸びる形状である。このうち、電極膜４ｂが４本のストライプで１つのアクチュエータ４が構成されている。また、電極膜４ｂに対向する電極膜４ｃは導波路３に対して一様に広がるベタ塗りであって、複数のアクチュエータ４に対して共通化されている。
図１に示している表示素子１の導波路３の側面から光を取り出す方法について説明する。導波路３に設置されたアクチュエータ４の４本のストライプである電極膜４ｂに、交互に正と負の電圧を印加する。それにより、正の電圧が印加した電極膜４ｂが設置されている個所の圧電フィルム４ａが縮み、負の電圧が印加した電極膜４ｂが設置されている個所の圧電フィルム４ａが伸びる。クラッド３ｂの長さは一定であり変化しないため、図１に示しているようにアクチュエータ４が、交互に上に凸および下に凸となりうねる。つまり、アクチュエータ４が波状になる。それにより、クラッド３ｂもアクチュエータ４と同一形状に変形し、コア３ａのクラッド３ｂ側の表面も変形する。
電圧が無印加の場合は、クラッド３ｂと圧電フィルム４ａの長さが同じであるため、アクチュエータ４は平面形状である。
このように、電極膜４ｂおよび電極膜４ｃ間に印加する電圧を選択的に制御することで、導波路３の側面の形状を変化させることができる。
導波路３には、光源２から出射された所望の色の光が伝播している。ここで、電圧を選択的に印加することで、導波路３において、コア３ａのクラッド３ｂ側の表面の所望の個所に凹凸を発生させると、導波路３中を伝播してきた光のうち例えば、一点鎖線で表した光２ｃは、コア３ａ表面の角度が変化しているため、全反射したのち導波路３の側面（導波路３のアクチュエータ４が設置されていない側）から導波路３外部に出射される。また他の破線で表した光２ｂは、導波路３が変形していることにより、コア３ａおよびクラッド３ｂを透過して、銀である電極膜４ｃで反射することにより、散乱反射して導波路３の側面導波路３外部に出射される。
このようにして、電圧の印加を制御し、導波路３に入射する光源２からの出射光の色を制御することで、表示素子１の導波路３の側面（表示面１ａ）から所望位置および所望の色の光を取り出して、表示することができる。
また、アクチュエータ４への印加電圧が大きいほど導波路３の変形が大きくなる。測定によると、印加電圧をゼロから徐々に大きくするにつれて取り出し光の輝度増加が認められた。印加電圧が±３０ボルト程度で輝度は飽和し、導波路３に入射させた光源２からの光の８０％以上を外部へ取り出すことができた。
光源２としては出射光の指向性が高いものが、効率よく光を取り出すためには好ましい。図１の表示面１ａにおいて、導波路３において、コア３ａと空気との界面での全反射角は約６０°である。したがって、導波路３中を伝播している光の、表示面１ａの法線に対する角度（入射角）が臨界角である４１．８°より小さい場合は、光は導波路３から漏れる。逆に入射角が大きくなり、光の進行方向が導波路３に平行に近づくと、コア３ａ中では全反射を繰り返し、その全反射個所同士の間隔が非常に大きくなり、光を取り出したい個所を飛び越してしまい、効率の低下および輝度ムラの発生を招く。
これらの理由から、光源２から出射される光の導波路３への入射角は臨界角４１．８°より大きいが、なるべく臨界角４１．８°に近い角度にある、指向性の高い光が好ましい。例えば、光源２がＬＥＤの場合は、モールドするレンズの形状によって指向性を変えることができるので、３色ＬＥＤである光源２の出射光角度分布の半値幅を約１０°とした。
なお、ＬＥＤ以外の光源２を使うことも可能である。例えば、有機ＥＬパネルにマイクロレンズアレイを付けることで指向性を上げた光源２を用いてもよいし、半導体レーザを光源２として用いることも可能である。
また、導波路３の厚みは厚すぎると、導波路３中を伝播する光が表示面１ａ（導波路３および空気界面）で全反射を繰り返し、その全反射個所同士の間隔が非常に大きくなる。そのため、伝播光がアクチュエータ４の設置個所（画素）を飛び越えてしまい、取り出すことができない光線が生じる。そのため、導波路３の厚みは厚すぎないほうが好ましい。
具体的には、図１において、導波路３の厚みＤは、アクチュエータ４による導波路３の変形部分の長さＬ（導波路３中の光の伝播方向におけるアクチュエータ４の長さ）の１／２以下とするのが取り出し効率の点から好ましい。
導波路３の厚みは、画素数と表示画面のサイズにより決まる。アクチュエータ４による導波路３の変形部分の長さＬは、表示素子１において、一つの画素の横方向の長さ（導波路３中の光の伝播方向）にあたる。例えば、以下で説明する表示素子１を用いた表示装置１００が、その表示サイズが６０インチから１００インチのＨＤＴＶであるとする。その場合、例えば、一つの画素の大きさは、縦２３０．６μｍ×横６９１．８μｍ〜縦３８４．３μｍ×横１１５３μｍ程度である。なお、縦は導波路３中の光の伝播方向に対して垂直方向の長さであり、横は導波路３中の光の伝播方向の長さである。このときの導波路３の厚みＤは、３４５．９μｍ以下〜５７６．５μｍ以下が望ましい。導波路３の厚みＤは、アクチュエータ４による導波路３の変形部分の長さＬ（導波路３中の光の伝播方向におけるアクチュエータ４の長さ）の１／２以下が望ましい。
一方、導波路３の厚みが薄すぎると、導波路３で伝播できる光の角度が限定され、伝播光がシングルモードに近づくため、伝播する光量が減少する。また、導波路３の厚みが薄すぎると光が入射しにくくなる。そのため、コア３ａの厚みは、少なくとも３０μｍ以上であることが望ましい。
図２を用いて、実施の形態１に係る表示装置１００について説明する。図２は、実施の形態１に係る表示装置１００の構成を示す斜視図である。上述の表示素子１を、導波路３中の光の伝播方向に対して垂直であって、各表示素子１の表示面１ａが同一面上にあるように複数並べることで、表示装置１００を構成することができる。図２に示しているように、実施の形態１の表示装置１００において、表示素子１の導波路３は、画面の列方向（Ｘ方向）にｎ列並んで配置されている。なお、ｎは自然数である。各導波路３の端部には、それぞれ光源２が配置されていて、各導波路３には、アクチュエータ４が導波路３の伸びている方向である行方向（Ｙ方向）に、ｍ行分配置されている。この表示装置１００の画素数は、ｎ×ｍ個である。
実施の形態１の表示装置１００は、線順次にアクチュエータ４を動作させて導波路３の側面を変形させ、全反射により導波路３中を伝わる光の反射する方向を変えることにより光を導波路３内から取り出し、表示面１ａから出射させる。
このような構成の表示装置１００は、表示画面（ＸＹ面）の列方向に伸びた各々の導波路３に対応する光源２である３色ＬＥＤの各色チップへの印加電圧を、電極膜４ｂと電極膜４ｃとで取り出しを選択した行と交差する画素の色、輝度情報に基づいて制御することにより、任意の画像を表示することができる。
実施の形態１の表示装置１００の構成を示すブロック図を図３に示している。図３は、表示装置１００を実際に作動させるための具体的な構造である。表示装置１００は、上述した以外に各光源２を駆動させる光源駆動回路５０と、各電極膜４ｂおよび４ｃに電圧を印加してアクチュエータ４を動作させるアクチュエータ駆動回路５１と、これらの回路を同期させて、信号を入力し画像を表示させる制御回路５２とを備えている。制御回路５２は、アクチュエータ駆動回路５１で選択した行の画素のＲＧＢ各色の輝度情報を、光源駆動回路５０のドライバーＬＳＩに入力し、光源駆動回路５０は輝度情報に応じた印加電圧を光源２に入力することで、フルカラーの画像表示が可能となる。
光源２として、３色ＬＥＤを用いたので、１本の導波路３に３色の光を入射させることができる。それにより、１つの表示素子１つまり、１行で３色の光を表示することができる。液晶やＰＤＰなどの従来の表示装置では、画素はＲＧＢの３原色のサブピクセル３つから構成されていた。しかし、実施の形態１の導波路３を用いた表示装置では、列方向に伸びた導波路３は必ずしも色毎に分ける必要はなく、１本の導波路３に３原色を入射することができるので、導波路３（表示素子１）の数を減らすことができ、コスト低減の効果がある。
表示装置１００の各表示素子１において、アクチュエータ４に±３０Ｖの電圧を順次印加していくことで、面状に均一な明るい表示が確認できた。従来のエバネッセント波により光を取り出す構成では、クリーンルームでも多数存在するサブミクロンサイズの埃の影響などで、導波路と光取り出し面の距離をゼロにすることはできなかった。そのため、かなりの圧力で導波路に光取り出し面を押し付けても、高い取り出し効率を得ることは容易でなかった。
しかし、実施の形態１の表示装置１００の各表示素子１では柔らかい導波路を用いることにより、小さな外力で導波路の変形を生じさせて、導波路中を伝播する光の反射方向を変えることにより、光を取り出す。そのため、エバネッセント波を取り出すよりも、高い取り出し効率を得ることができた。
また、アクチュエータ４に圧電素子を用いているので、高速動作が可能である。そのため、高速の走査が可能であり、高精細の画像表示にも対応できる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る表示素子１１について、図４を用いて説明する。実施の形態２の表示素子１１と、実施の形態１の表示素子１とは、アクチュエータが異なる。それ以外の構成は略同一であるので、同一の機能を有する部材には同一符号を付し、説明を省略する。
図４に示しているように、実施の形態２の表示素子１１は、光源２と、光源２から出射された光を伝播させる導波路３と、導波路３を変形させるアクチュエータ１４とを備えている。光源２および導波路３は、実施の形態１の表示素子１と同一である。光源２は例えば３色ＬＥＤであって、光源２から出射された光は導波路３を伝播する。導波路３は、コア３ａとクラッド３ｂを備えていて、クラッド３ｂの反対側は、コア３ａが露出しているいので、空気がクラッドとなる。なお、実施の形態２においては、コア３ａはシリコーンゲル材料からなる厚み１００μｍの平板とし、クラッド３ｂは透明フッ素系樹脂とし、膜厚５μｍとした。
アクチュエータ１４は、導波路３側面に設置された電極膜１４ａと、電極膜１４ａに塗布された例えば厚さ０．１μｍのポリカーボネートの絶縁薄膜１４ｂと、絶縁薄膜１４ｂと対向して設置された厚さ０．１５ｍｍのＰＥＴフィルムからなる基板１４ｄと、基板１４ｄ上の絶縁薄膜１４ｂ側に形成された凹凸形状を有する外部電極膜１４ｃとを有する。凹凸形状を有する外部電極膜１４ｃは、基板１４ｄ上に複数あり、外部電極膜１４ｃごとに１つのアクチュエータ１４が構成されている。電極膜１４ａは、導波路３（クラッド３ｂ）全面に形成され、各アクチュエータ１４に対して共通である。
上記導波路３とアクチュエータ１４の作製方法は、例えば、コア３ａにクラッド３ｂをコートし、さらに、クラッド３ｂ表面にスクリーン印刷で例えば銀ペーストを塗布して電極膜１４ａを形成する。さらに電極膜１４ａ上にポリカーボネートを塗布して絶縁薄膜１４ｂを形成する。また、厚さ０．１５ｍｍのＰＥＴフィルムからなる基板１４ｄの表面に、鋸歯状の凹凸部１４ｅをストライプ状にプレス成形により形成する。凹凸部１４ｅは、例えば、断面が深さが３μｍで、ピッチが３０μｍとする。この凹凸部１４ｅ上にアルミ蒸着を施し、例えば、アルミである外部電極膜１４ｃを形成した。最後に、この基板１４ｄと導波路３とが対向するように配置した。
このような構成の表示素子１１の動作について説明する。
電極膜１４ａと電極膜１４ｂとの間に電圧を印加しない場合、図４に示した表示素子１１の両端部のように、凹凸形状の外部電極膜１４ｃの凸部と絶縁薄膜１４ｄとが接しているだけである。そのため、導波路３の側面は平面である。しかし、電極膜１４ａと外部電極膜１４ｃとの間に電圧を印加することで、これらの間に静電力が生じ、お互いに吸引し合う。それにより、図４に示した表示素子１１の中央部のように、電極膜１４ａと外部電極膜１４ｃとがくっつき合い、電極膜１４ａが外部電極膜１４ｃと同様な凹凸形状に変形する。また、電極膜１４ａは、導波路３と密着しているので、クラッド３ｂおよびコア３ａの表面が外部電極膜１４ｃと同様な凹凸形状に変形する。つまり、導波路３の側面が変形する。なお、コア３ａは特に柔らかいので大きく変形する。これにより、導波路３中を全反射しながら伝播している光を、導波路３の側面から外部に取り出すことができる。導波路３中をコア３ａの表面で全反射しながら伝播している光１２ｃを、導波路３の一方の側面を変形させることで、実施の形態１と同様に、導波路３の他方の側面から外部に漏らすことができる。
つまり、コア３ａ表面の所望の個所が凹凸形状に変形すると、導波路３中を伝播してきた光のうち例えば、一点鎖線で表した光１２ｃは、コア３ａ表面の角度が変化しているため、全反射したのち導波路３の側面（導波路３のアクチュエータ４が設置されていない側）から導波路３外部に出射される。また、例えば、コア３ａおよびクラッド３ｂを透過して、銀である電極膜１４ａで反射することにより、散乱反射して導波路３の側面導波路３外部に出射される光もある。
このようにして、電圧の印加を制御し、導波路３に入射する光源２からの出射光の色を制御することで、表示素子１の導波路３の側面（表示面１ａ）から所望位置および所望の色の光を取り出して、表示することができる。
実際に、３色ＬＥＤの光源２から光を導波路３に入射し、電極膜１４ａと外部電極膜１４ｃとの間に選択電圧として＋１０ボルトを印加し、非選択個所には０ボルトを印加して、線順次走査を行うと、導波路３の側面（表示面１ａ）から均一で明るい表示が得られた。低電圧でも、光源２の入射光をほぼ完全に外部で取り出すことが可能となり、電力効率の高い表示素子１を実現できた。
図４の表示素子１１を、図２に示したように、導波路３中の光の伝播方向に対して垂直であって、各表示素子１１の表示面１ａが同一面上にあるように複数並べることで、表示装置１００と同様に、表示装置を構成することができる。表示素子１１を画面の列方向にｎ列並べて配置し、アクチュエータ１４が導波路３の伸びている方向（行方向）に、ｍ行分配置されている場合の画素数は、ｎ×ｍ個である。
導波路３の側面（表示面１ａ）から取り出して、画像表示を行う方法は、実施の形態１の表示装置１００と同様であるので、説明を省略する。実施の形態１の表示装置と実施の形態２の表示装置とは、アクチュエータの構造が異なるだけで、他の構造はほぼ同一である。
また、実施の形態２の表示装置を実際に作動させるためには、図３に示しているように、各光源２を駆動させる光源駆動回路５０と、各電極膜１４ａおよび１４ｃに電圧を印加してアクチュエータ１４を動作させるアクチュエータ駆動回路５１と、これらの回路を同期させて、信号を入力し画像を表示させる制御回路５２とを備えればよい。
従来のＸＹマトリクス型平面表示素子は、行電極と列電極間に光変調媒体を挟む為に、クロストーク現象が発生したりして大型化しにくかった。しかし、実施の形態１および２の表示装置では、行側、及び列側の駆動回路に電気的な繋がりがないので、クロストーク現象は本質的に発生せず、しかも構成が簡易なため、大型化が容易である。しかも、高温プロセスが必要なＩＴＯを特に設ける必要がなく、簡易な構造であるため、フィルムのような薄いフレキシブルな表示装置を実現できる。また、光源としてＬＥＤのような発光効率の高いものを用いたので、高い光取り出し効率を、低電力のアクチュエータで実現できるため、消費電力も低くすることが可能である。
以上のように、実施の形態１および２の表示素子および表示装置は、柔らかい導波路を用いることにより、壁に掛けるまたは貼れるような大画面、薄型で、かつ発光効率の高い低消費電力の画期的なディスプレイを実現することができる。
なお、実施の形態１および２では、導波路３のコア３ａをシリコーンゲルとした例を記載したが、容易に変形する、いわゆるゴム状弾性を示す透明な素材、例えば、ウレタン系などのゴムでも同様に効果がある。コア３ａとしては、ヤング率で１０６Ｎ／ｍ２台より小さい素材がよい。
また、実施の形態１および２では、コア３ａ全体を同一の素材で構成したが、導波路３のコア３ａ表面が変形しやすければよいので、例えば、導波路３の表側を通常のプラスチックなどの硬い素材で構成し、変形する個所にのみ柔らかい層を設ける積層構造としてもよい。また、クラッド３ｂを設けずコア３ａのみで構成し、両側のクラッドが空気である導波路３を用いてもよい。また、ハンドリングしやすいようにコア３ａの両面にクラッドが設けられた導波路３としてもよい。
なお、実施の形態１および２では、導波路３は列数分だけ並置し、多数の３色ＬＥＤである光源２を並べた単純マトリクス型の表示装置を示したが、光源の種類やアクチュエータの種類、あるいはこれらの配置などの構成はこれらに限定されるわけではない。柔らかい導波路３を変形させることにより低電力で高い取り出し効率を得ることができる構成であればよい。例えば、導波路３を１枚の平板にし、光源２を１つにし、アクチュエータ４または１４を画素数分だけＸＹのマトリクス配置にする構成でもよい。この場合、アクチュエータ４または１４を駆動するアクティブ素子を各アクチュエータに付加して、画素毎に駆動し、コアが変形する時間を制御して階調表現すればよい。アクティブ素子としては、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｌａｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、薄膜トランジスタ）やＴＦＤ（Ｔｈｉｎ Ｆｌａｔ Ｄｉｏｄｅ、薄膜ダイオード）を用いればよい。
実施の形態１および２の表示素子および表示装置によれば、導波路３中を伝播する光を導波路の側面から取り出す方式の表示素子および表示装置において、光取り出し効率を向上させて、低消費電力化、高輝度化が可能になり、また表示の均一性が改善される。また、１００インチを超えるような大画面でもモバイル向けの小型の画面でも、画面サイズによらずシート状の薄型の表示装置が実現できる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る表示素子について図５を用いて説明する。図５は実施の形態３に係る表示素子２１の構成を示す断面図である。図５に示しているように、表示素子２１は、光源２２と、導波路２３と、導波路２３に対向する対向電極膜２５と、導波路２３近傍に配置された微粒子２６とを備えている。
導波路２３は、光が伝播するコア２３ａと、クラッド２３ｂと、導波路電極膜２３ｃとを備えている。コア２３ａには、例えば素材として非常に柔らかい素材であるアクリル樹脂からなる１００μｍ厚のシートを用いている。また、コア２３ａの片方の表面には、クラッド２３ｂとして屈折率の低い透明なフッ素系ポリマーを１０μｍの厚みでコートしている。導波路電極膜２３ｃは、ＩＴＯであり、コア２３ａのクラッド２３ｂとは反対側の面に粘着剤で直接貼付されている。クラッド２３ｂは、コア２３ａの片面にしか設置されておらず、逆の面には、導波路電極膜２３ｃが複数設置されている。導波路電極膜２３ｃはＩＴＯであり、導波路２３が伸びている方向に沿って複数形成されている。導波路電極膜２３ｃの、導波路２３中の光の伝播方向における長さＷは、例えば、３００μｍである。クラッド２３ｂの反対側のクラッドは空気である。また、導波路電極膜２３ｃは、コアの一部であり、導波路２３中を伝播する光は、導波路電極膜２３ｃと空気との界面でも全反射する。なお、クラッド２３ｂを設けない構造でもよい。
光源２２は導波路２３の端部に設置されていて、光源２２から出射された光が導波路２３に結合するような向きに、光源２２は設置されている。導波路２３の入射個所にプリズム２２ａを設置し、光学的に結合させることが好ましい。なお、光源２２は、実施の形態１の光源２と同様とすればよく、例えば、３色ＬＥＤを用いることが好ましい。
光源２２としては指向性が高いものが、導波路２３から効率よく光を取り出すことができるために好ましい。導波路２３において、コア２３ａと空気との界面での全反射角は、約６０°である。図５の断面図には、導波路２３での光の伝播の様子が概念的に示されている。
光源２２から出射された破線で表した光２２ｂの導波路２３への入射角（表示面２１ａの法線に対する角度）が、実施の形態３における臨界角である４１．８°より小さいと、光２２ｂは導波路２３から洩れてしまう。逆に、一点鎖線で表した光２２ｃのように、臨界角４１．８°より入射角が大きくなりすぎると、光２２ｃの進路が導波路２３と平行に近づく。それにより、コア２３ａおよび導波路電極膜２３ｃ中で全反射を繰り返し、その全反射個所同士の間隔が非常に大きくなり、光を取り出したい個所を飛び越してしまい、効率の低下および輝度ムラの発生を招く。また、特開平７−２８７１７６号公報の図３にも記載されているように、エバネッセント波の取り出し率が小さくなり効率が低下する。これらの理由から、光源２２から出射される光の導波路２３への入射角は臨界角４１．８°より大きいが、なるべく臨界角４１．８°に近い角度がよく、指向性の高い光源２２が好ましい。例えば、光源２２がＬＥＤの場合は、モールドするレンズの形状によって指向性を変えることができるので好ましい。そこで、実施の形態３では、出射光角度分布の半値幅を約１０°とした３色ＬＥＤを光源２２を用いている。
なお、光源２２としては、ＬＥＤ以外では、有機ＥＬパネルにマイクロレンズアレイを付ける事で指向性を上げものを用いてもよいし、半導体レーザを用いることも可能である。光源２２を３色ＬＥＤとすることで、１本の導波路２３に３色の光を入射させやすくなる。液晶やＰＤＰなどの従来のディスプレイでは、画素はＲＧＢの３原色のサブピクセル３つから構成されていたが、このようにすることで、列方向に伸びた導波路２３は必ずしも色毎に分ける必要はなく、１本の導波路２３に３原色を入射すれば導波路２３の数を減らすことができ、コスト低減の効果がある。
対向電極膜２４は導波路２３に対向するように設置されている。例えば対向電極膜２４はＩＴＯであり、アクリル樹脂の基板２５上に成膜されている。導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４との間隔は、例えば３５μｍとする。
導波路２３近傍には、微粒子２６が配置されている。微粒子２６は、導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４との間に位置し、アクリル樹脂からなり、帯電している。微粒子２６の平均粒子径は、例えば、６μｍである。導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４との間の空間に、充填率が２０％となるように微粒子２６が充填されている。なお、充填率とは、単位体積当たりの微粒子の占有する体積の比である。微粒子２６の占有する体積は、微粒子２６の平均粒子径から求めた微粒子一個当たりの体積に、単位体積当たりの微粒子２６の個数を乗じることで求めることができる。
例えば、選択する導波路電極膜２３ｃを負とし、対向電極膜２４が正となるように７０Ｖの電圧を印加したところ、微粒子２６は導波路電極膜２３ｃ表面に接触する。それにより、微粒子２６と導波路２３とが一体化されることになる。つまり、微粒子２６が導波路２３側面の一部となり、導波路２３における導波路電極膜２３ｃ側の側面の形状が変化することになる。
導波路２３には、光源２２から出射された所望の色の光が伝播している。ここで、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４に、電圧を選択的に印加することで、導波路２３の導波路電極膜２３ｃ側の側面の形状が微粒子２６により変化する。導波路２３の形状が変化することで、伝播状態が変化し、導波路２３中を伝播してきた光が、導波路２３の導波路側面から外部に漏れ出る。微粒子２６の屈折率は、コア２３ａもしくはクラッド２３ｂの屈折率の近傍とすることで、微粒子２６から外部に光を取り出すことができる。例えば、微粒子２６の屈折率は、コア２３ａの屈折率とほぼ等しくなるのが望ましい。
このように、微粒子２６と導波路電極膜２３ｃとの接触部分から光が漏れるので、アクリル樹脂の基板２５方向に光を取り出すことができるので、基板２５を表示画面とすることができる。
一方、電界が逆、すなわち導波路電極膜２３ｃが正で、対向電極膜２４が負となるように７０Ｖの電圧を印加すると、微粒子２６は導波路電極膜２３ｃから離れる。そのため、導波路２３中を伝播している光は漏光として取り出すことができず、そのまま導波路２３中を導波するので、表示はされない。
このように、個々の微粒子２６が導波路電極膜２３ｃと接触することにより光が導波路２３の側面から取り出されるので、接触面積が小さく、従来の平板状の圧電素子のように面内全体での接触が不必要となる。そのため、より均一で小さい圧力を導波路２３に与えることができ、さらにその圧力は静電気的に与えられていて、制御が可能である。なお、上述の説明では、帯電した微粒子２６を用いたが、他にも、磁性を有する微粒子を用いて、対向電極膜２４と導波路電極膜２３ｃとの間において磁界を制御することで、微粒子２６の導波路２３表面への接触および非接触を制御してもよい。
また、微粒子２６として、蛍光色素であるローダミンを含むアクリル樹脂からなる微粒子２６を用いてもよい。この際、光源２２として、波長５２０ｎｍの光を出射する緑色ＬＥＤを用いて、導波路２３の側面からの取り出された光は、波長５８０ｎｍのオレンジ光であることが観測された。このように、蛍光色素や蛍光体を含有する微粒子２６と、これらの蛍光色素や蛍光体の励起波長に対応するＬＥＤ光源２２とを選択して用いることにより、様々な波長の光を取り出すことができる。また、光源２２として紫外光ＬＥＤを用い、ＰＤＰで用いられている蛍光体を微粒子２６として用いることにより、単色のＬＥＤを光源２２としても、ＲＧＢを表示することが可能である。
図６を用いて、実施の形態３に係る表示装置３００について説明する。図６は、実施の形態３に係る表示装置３００の構成を示す斜視図である。上述の表示素子２１を、導波路２３中の光の伝播方向に対して垂直であるように複数並べることで、表示装置３００を構成することができる。図６に示しているように、実施の形態３の表示装置３００において、表示素子２１の導波路２３は、画面の列方向（Ｘ方向）にｎ列並んで配置されている。なお、ｎは自然数である。導波路２３の端部には、それぞれ光源２２が配置されている。導波路２３の側面には、導波路電極膜２３ｃが導波路２３の伸びている行方向（Ｙ方向）に、ｍ行分配置されている。各表示素子２１の対向電極膜２４は共通とし、すべての表示素子２４の導波路２３を覆うように設置されている。また、導波路電極膜２３ｃも同一行については、各導波路２３対して共通としその行を覆うように設置されている。この表示装置３００の画素数は、ｎ×ｍ個である。
実施の形態３の表示装置３００は、線順次に導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４との間に印加する電圧を制御することで導波路電極膜２３ｃに微粒子２６を接触または非接触させて、全反射により導波路２３中を伝播する光を導波路２３の側面から取り出し、対向電極膜２４方向へ出射させる。
このような構成の表示装置３００は、表示画面（ＸＹ面）の列方向に伸びた各々の導波路２３に対応する３色ＬＥＤの各色チップへの印加電圧を、導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４とで取り出しを選択した行と交差する画素の色、輝度情報に基づいて制御することにより、任意の画像を表示することができる。
実施の形態３の表示装置３００の構成を示すブロック図を図７に示している。図７は、表示装置３００を実際に作動させるための具体的な構造である。表示装置３００は、上述した以外に各光源２２を駆動させる光源駆動回路６０と、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４に電圧を印加して微粒子２６を導波路電極膜２３ｃに接触あるいは非接触させる微粒子駆動回路６１と、これらの回路を同期させて、信号を入力し画像を表示させる制御回路６２とを備えている。制御回路６２は、微粒子駆動回路６１で選択した行の画素のＲＧＢ各色の輝度情報を、光源駆動回路６０のドライバーＬＳＩに入力し、光源駆動回路６０は輝度情報に応じた印加電圧を光源２２に入力することで、フルカラーの画像表示が可能となる。
光源２２として、３色ＬＥＤを用いたので、１本の導波路３３に３色の光を入射させることができる。それにより、１つの表示素子２１つまり、１行で３色の光を表示することができる。液晶やＰＤＰなどの従来の表示装置では、画素はＲＧＢの３原色のサブピクセル３つから構成されていた。しかし、実施の形態３の導波路２３を用いた表示装置では、列方向に伸びた導波路３は必ずしも色毎に分ける必要はなく、１本の導波路２３に３原色を入射することができるので、導波路２３（表示素子２１）の数を減らすことができ、コスト低減の効果がある。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る表示素子３１について図８を用いて説明する。実施の形態４に係る表示素子３１は実施の形態３に係る表示素子２１の導波路２３の導波路電極膜２３ｃ設置側表面に、表面張力が比較的大きな塗布材料３７が塗布されている構成である。塗布材料３７の表面張力は、具体的には、５０ｍＮ／ｍ以上が望ましい。塗布材料３７は、コア２３ａおよび導波路電極膜２３ｃを覆っていて、塗布材料３７は、コアの一部であり、導波路２３中を伝播する光は、塗布材料３７と空気との界面でも全反射する。塗布材料３７以外の部材は同一の機能を示すので同一の符号を付し、説明を省略する。
塗布材料３７は、例えば、グリセリンであって、表面張力は、６３．４ｍＮ／ｍであり、厚さが例えば２μｍ程度になるように塗布されている。また、微粒子２６には表面張力の小さい材料を用いることが好ましい。微粒子２６の表面張力は、具体的には、３０ｍＮ／ｍ以下が望ましい。
例えば、テフロン（登録商標）（表面張力は、１８．４ｍＮ／ｍ）からなる微粒子２６を用いて実際に表示素子３１を形成した。微粒子２６の平均粒子径は６μｍとし、導波路電極膜２３ｃと対向電極膜２４と間の空間の微粒子２６の充填率を２０％とした。選択する行の導波路電極膜２３ｃが負であり、対向電極膜２４が正となるように５０Ｖ電圧を印加した。それにより、微粒子２６が導波路電極膜２３ｃ表面に接触し、接触部分からの漏光が基板２５方向に取り出される。一方、電界が逆、すなわち導波路電極膜２３ｃが正であり、対向電極膜２４が負となるように５０Ｖ電圧を印加する。それにより、微粒子２６が導波路電極膜２３ｃの表面から離れるため、光源２２から導波路２３中を伝播している光を漏光として取り出すことができない。この際に、実施の形態４の表示素子３１においては、少ない電圧で、表示または非表示の切り替えができる。これは、塗布材料３７であるグリセリンの表面張力が微粒子２６であるテフロン（登録商標）の表面張力に比べて充分大きいためである。それにより、微粒子２６と塗布材料３７との接触面での所謂弾きが大きくなる。弾きとは、微粒子２６の表面に塗布材料３７が広がらずに、弾かれる物理現象である。つまり、微粒子２６と塗布材料３７との弾きが大きいほうが、微粒子２６と導波路電極膜２３ｃとの接触における反発が大きい。そのために、微粒子２６が導波路電極膜２３ｃから離れやすい。したがって、低い電圧で、微粒子２６と導波路電極膜２３との接触および非接触を制御することができる。
このように、微粒子２６とは表面張力の異なる塗布材料３７をコア２３ａ表面および導波路電極膜２３ｃに設けたことにより、微粒子２６の接触制御に必要な電圧を低下させることができた。なお、微粒子２６の表面張力は導波路２３（導波路電極膜２３ｃ）表面の表面張力と異なればよい。しかし、微粒子２６の表面張力が導波路２３表面の表面張力よりも小さい構成が一般的である。
図８の表示素子３１を、図６に示したように、導波路２３中の光の伝播方向に対して垂直であって、各表示素子３１の表示面２１ａが同一面上にあるように複数並べることで、表示装置３００と同様に、表示装置を構成することができる。表示素子３１を画面の列方向にｎ列並べて配置し、導波路電極膜２３ｃが導波路３の伸びている方向（行方向）に、ｍ行分配置されている場合の画素数は、ｎ×ｍ個である。
導波路２３の側面（表示面２１ａ）から所望の光を取り出して、画像表示を行う方法は、実施の形態３の表示装置３００と同様であるので、説明を省略する。実施の形態４の表示装置と実施の形態５の表示装置との異なる点は、導波路２３表面に塗布材料３７を設置している点であり、他の構造は略同一である。
また、実施の形態４の表示装置を実際に作動させるためには、図７に示しているように、各光源２２を駆動させる光源駆動回路６０と、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４に電圧を印加して微粒子２６を導波路電極膜２３ｃに接触あるいは非接触させる微粒子駆動回路６１と、これらの回路を同期させて、信号を入力し画像を表示させる制御回路６２とを備えればよい。
実施の形態３および４の表示装置では、列方向に伸びた各々の導波路２３に対応する光源２２である３色ＬＥＤの各色チップへの印加電圧を、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４で選択した行と交差する画素の色、輝度情報に基づいて制御することにより、任意の画像を表示していた。しかし、光源の種類や配置などの構成はこれらに限定されるわけではない。例えば、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４を画素数分だけＸＹのマトリクス配置にする構成でもよい。この場合は、アクティブ素子を、導波路電極膜２３ｃおよび対向電極膜２４に接続し、画素毎に駆動するようにすればよい。アクティブ素子としては、例えば、ＴＦＴやＴＦＤを用いればよい。
実施の形態３および４に係る表示素子および表示装置によれば、導波路の端面から光を導入し、光導波路コア表面光を取り出す方式の表示装置において、微粒子の接触を制御することにより、光取り出し効率を向上させて、低消費電力化、高輝度化が可能になる。また、表示の均一性が改善される。実施の形態３および４により、１００インチを超えるような大画面でもモバイル向けの小型の画面でも、画面サイズによらずシート状の薄型の表示装置が実現できる。
本発明者は、従来構成として、前述の「Ｘ．Ｚｈｏｕ、Ｅ．Ｇｕｌａｒｉ、“Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ”、ＳＩＤ９８ ＤＩＧＥＳＴ、１０２２頁〜１０２５頁、１９９８年」と同様の構成で導波路から光を取り出す表示装置を作成した。しかし、導波路の厚みが従来のように画素の幅（光の伝播方向の幅）より厚い構成では、輝度が低く、厚みを薄くするほど明るさが増すことに気が付いた。
この理由は上述の、コアと空気との界面で伝播光が全反射を繰り返す導波路において、全反射個所同士の距離が、導波路の厚みに依存しているからである。例えば反射角４５°で全反射する場合で全反射個所同士の距離は、導波路の厚みの２倍になる。そのため、少なくとも導波路の厚みを、光の伝播方向の画素の幅の１／２以下にしなければならない。こうしないと、全反射個所同士の距離が画素の幅より大きくなって、反射光が画素を飛び越えてしまい、導波路側面から取り出すことができない。
したがって、実施の形態１〜４の表示素子における導波路の厚みは画素の幅の１／２以下にするのが取り出し効率の点から好ましく、さらには入射光の角度分布を考慮すると、さらに薄い方が望ましい。なお、具体的には、画素の幅とは、実施の形態１および２の表示素子においては、図１および２の電極４および１４の導波路３の長手方向の長さであり、実施の形態３および４においては、図５および６の導波路電極膜２３ｃ導波路２３の長手方向の長さである。
例えば、導波路３および２３の厚さを、画素の幅の１／４以下にすると、反射角６０°以下の光をも取り出せるようになる。このような導波路に、指向性の高いＬＥＤの光を入射すれば、入射光をほぼ完全に取り出すことができる。一方、導波路３および２３の厚みが薄すぎると、導波路３および２３で伝播できる光の角度が限定されるシングルモードに近づいてしまう。そのため、伝達できる光量が減少する。さらに、導波路３および２３の厚みが薄すぎると、光を入射しにくくなることから、導波路３および２３の厚みは少なくとも３０μｍ以上であることが望ましい。
なお、実施の形態１〜４の表示素子の光源２、２２は、例えば、３色レーザ（ＲＧＢ）としてもよい。
【産業上の利用可能性】
本発明の表示素子および表示装置は、大画面でもモバイル向けの小型画面でも、画面サイズによらずシート状の薄型の表示装置に用いられる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から出射された光を伝播させる導波路とを備え、導波路中を伝播している光を導波路側面より外部へ取り出す表示素子であって、
前記導波路側面の形状を変化させることで、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことを特徴とする表示素子。
【請求項２】
前記導波路の形状を変形させる複数のアクチュエータをさらに備え、
前記アクチュエータを選択的に動作させることにより、前記導波路側面の形状を変化させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出す、請求の範囲１に記載の表示素子。
【請求項３】
前記導波路は、コアおよび前記コアの一つの側面に沿って形成されたクラッドを備え、
前記アクチュエータは、前記クラッドに貼付されていて、
前記アクチュエータの変形により、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項４】
前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す、請求の範囲３に記載の表示素子。
【請求項５】
前記アクチュエータは、前記導波路側面に貼付されていて、
前記アクチュエータの変形により、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項６】
前記アクチュエータは、圧電素子を含み、
前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記圧電素子を変形させて、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項７】
前記アクチュエータは、前記導波路側面に設置された第１電極膜と、
前記電極膜に積層された圧電素子と、
前記圧電素子に積層された第２電極膜とを備え、
前記導波路側面に設置された前記第１電極膜と前記圧電素子に積層された前記第２電極膜との間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を変形させて、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲４に記載の表示素子。
【請求項８】
前記アクチュエータは凸部を備え、
前記導波路の側面を前記凸部で押圧することにより、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項９】
前記アクチュエータは、前記導波路側面に設置された電極膜と、
前記導波路に対向して、近接している外部電極膜とを備え、
前記外部電極膜と前記電極膜との間に電圧を印加することにより生じる静電力により、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１０】
前記外部電極膜は、前記導波路側面側に凸部を有し、前記静電力により、前記外部電極膜の前記凸部が、前記導波路側面を押圧することで、前記導波路の形状を変化させる、請求の範囲９に記載の表示素子。
【請求項１１】
前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１２】
前記導波路の少なくとも一部が弾性体からなる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１３】
前記導波路の少なくとも一部が透明なゲルからなる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１４】
前記アクチュエータが画素ごとに形成されている、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１５】
前記導波路は、その側面に導波路電極膜を備え、
前記導波路電極膜に対向する対向電極膜と、
前記導波路電極膜と前記対向電極膜間に配置された微粒子とを備え、
前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加することで、前記微粒子を前記導波路電極膜に接触させて、前記微粒子と前記導波路とを一体化させることで、前記導波路側面の形状を変化させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出す、請求の範囲１に記載の表示素子。
【請求項１６】
前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項１７】
前記微粒子は帯電している、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項１８】
前記微粒子は磁性を有している、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項１９】
前記導波路電極膜の表面張力と前記微粒子表面の表面張力とが互いに異なる、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項２０】
前記導波路電極膜には、塗布材料が塗布されている、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項２１】
前記導波路電極膜および前記対向電極膜が、画素ごとに設けられている、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項２２】
前記微粒子は、蛍光性を有している、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項２３】
前記光源は、紫外光を発光する、請求の範囲２２に記載の表示素子。
【請求項２４】
前記光源は、３色ＬＥＤまたは３色レーザである、請求の範囲１から２１のいずれかに記載の表示素子。
【請求項２５】
請求の範囲２から１４のいずれかに記載の表示素子と、
前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、
前記アクチュエータを駆動させるアクチュエータ駆動回路と、
前記光源駆動回路および前記アクチュエータ駆動回路を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項２６】
請求の範囲１５から２３のいずれかに記載の表示素子と、
前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、
前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加する微粒子駆動回路と、
前記光源駆動回路および微粒子駆動回路を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項２７】
請求の範囲１４に記載の表示素子と、
前記各アクチュエータをそれぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項２８】
請求の範囲２１に記載の表示素子と、
前記各導波路電極膜と前記各対向電極膜間の電圧をそれぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項２９】
前記アクティブマトリクス素子は、ＴＦＴまたはＴＦＤである、請求の範囲２７または２８に記載の表示装置。
【請求項１】
光源と、前記光源から出射された光を伝播させる導波路とを備え、導波路中を伝播している光を導波路側面より外部へ取り出す表示素子であって、
前記導波路側面の形状を変化させることで、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことを特徴とする表示素子。
【請求項２】
前記導波路の形状を変形させる複数のアクチュエータをさらに備え、
前記アクチュエータを選択的に動作させることにより、前記導波路側面の形状を変化させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出す、請求の範囲１に記載の表示素子。
【請求項３】
前記導波路は、コアおよび前記コアの一つの側面に沿って形成されたクラッドを備え、
前記アクチュエータは、前記クラッドに貼付されていて、
前記アクチュエータの変形により、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項４】
前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す、請求の範囲３に記載の表示素子。
【請求項５】
前記アクチュエータは、前記導波路側面に貼付されていて、
前記アクチュエータの変形により、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項６】
前記アクチュエータは、圧電素子を含み、
前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記圧電素子を変形させて、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項７】
前記アクチュエータは、前記導波路側面に設置された第１電極膜と、
前記電極膜に積層された圧電素子と、
前記圧電素子に積層された第２電極膜とを備え、
前記導波路側面に設置された前記第１電極膜と前記圧電素子に積層された前記第２電極膜との間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を変形させて、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲４に記載の表示素子。
【請求項８】
前記アクチュエータは凸部を備え、
前記導波路の側面を前記凸部で押圧することにより、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項９】
前記アクチュエータは、前記導波路側面に設置された電極膜と、
前記導波路に対向して、近接している外部電極膜とを備え、
前記外部電極膜と前記電極膜との間に電圧を印加することにより生じる静電力により、前記導波路側面の形状を変化させる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１０】
前記外部電極膜は、前記導波路側面側に凸部を有し、前記静電力により、前記外部電極膜の前記凸部が、前記導波路側面を押圧することで、前記導波路の形状を変化させる、請求の範囲９に記載の表示素子。
【請求項１１】
前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１２】
前記導波路の少なくとも一部が弾性体からなる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１３】
前記導波路の少なくとも一部が透明なゲルからなる、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１４】
前記アクチュエータが画素ごとに形成されている、請求の範囲２に記載の表示素子。
【請求項１５】
前記導波路は、その側面に導波路電極膜を備え、
前記導波路電極膜に対向する対向電極膜と、
前記導波路電極膜と前記対向電極膜間に配置された微粒子とを備え、
前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加することで、前記微粒子を前記導波路電極膜に接触させて、前記微粒子と前記導波路とを一体化させることで、前記導波路側面の形状を変化させて、前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出す、請求の範囲１に記載の表示素子。
【請求項１６】
前記導波路の、少なくともコアの一部が変形することで、前記光を導波路外部へ取り出す、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項１７】
前記微粒子は帯電している、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項１８】
前記微粒子は磁性を有している、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項１９】
前記導波路電極膜の表面張力と前記微粒子表面の表面張力とが互いに異なる、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項２０】
前記導波路電極膜には、塗布材料が塗布されている、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項２１】
前記導波路電極膜および前記対向電極膜が、画素ごとに設けられている、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項２２】
前記微粒子は、蛍光性を有している、請求の範囲１５に記載の表示素子。
【請求項２３】
前記光源は、紫外光を発光する、請求の範囲２２に記載の表示素子。
【請求項２４】
前記光源は、３色ＬＥＤまたは３色レーザである、請求の範囲１から２１のいずれかに記載の表示素子。
【請求項２５】
請求の範囲２から１４のいずれかに記載の表示素子と、
前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、
前記アクチュエータを駆動させるアクチュエータ駆動回路と、
前記光源駆動回路および前記アクチュエータ駆動回路を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項２６】
請求の範囲１５から２３のいずれかに記載の表示素子と、
前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、
前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加する微粒子駆動回路と、
前記光源駆動回路および微粒子駆動回路を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項２７】
請求の範囲１４に記載の表示素子と、
前記各アクチュエータをそれぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項２８】
請求の範囲２１に記載の表示素子と、
前記各導波路電極膜と前記各対向電極膜間の電圧をそれぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項２９】
前記アクティブマトリクス素子は、ＴＦＴまたはＴＦＤである、請求の範囲２７または２８に記載の表示装置。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０４２４４９
【国際公開日】平成１６年５月２１日（２００４．５．２１）
【発行日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５０２１５１（Ｐ２００５−５０２１５１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１４０４７
【国際出願日】平成１５年１１月４日（２００３．１１．４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年５月２１日（２００４．５．２１）
【発行日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１４０４７
【国際出願日】平成１５年１１月４日（２００３．１１．４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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