JPH0833540B2 - 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

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くし、
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0 525 755 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、 （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パ付き光導波管のア
レイを備えており、角導波管のテーパ付き端部が前記基
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、 （ｉ）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の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、 （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パ付き導波管のアレイ
の展開断面図である。

第３図は、断面が矩形のテーパ付き導波管のアレイの
斜視図である。

第４図は、断面が円形のテーパ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パ付き導波管の
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
のテーパ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
テーパ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パ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、本発明のテーパ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、テーパ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てあるいは一部を
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16、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24、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パ付き導波管28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16、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（PZLT）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、ツイステッド・ネマ
ティック（TN）材料、スーパー・ツイステッド・ネマテ
ィック（STN）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0.2
5インチ以内である）、米国特許第4,573,764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
置される。

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のア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。各テーパ付き導波管28の入力面領域30は接着
促進層26に隣接して配置されており、かつ各導波管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30の面積
は、光出力面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30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か、ほぼ等しいので、導
波管28の出力面31か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、直楕円錐、直正角錐、
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、ほぼ等しい。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700
nm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
固体製である。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を大形のシートに形成し、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
き光導波管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、ほとんどの場合、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、すべての導波管の入力面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30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の合計面積がアレイの基板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−エチルヘキシルアク
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、シクロヘ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
で使用するのにもっ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
っ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度から約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ミクロンから
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の比によって指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度のテーパ角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度の入力範囲か
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％である。−10ないし＋10度の入力
光線の分布を使用すると、計算された出力分布は約−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、入力面積に対する
出力面積の比とテーパ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12％であること
が、もっとも好ましい。

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に光吸収材
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50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、
加熱ローラ・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（UV）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53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
54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
はイソプロパノ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52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65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7
0、入力光偏光器71、液晶セル72、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
72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。表示装置79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90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9
8、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
ーパ付き光導波管93の平行化アレイは基板94、接着促進
層95および個別のテーパ付き光導波管96で構成されてい
る。各テーパ付き光導波管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および個別のテーパ付き導波管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
び個別のテーパ付き導波管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10
0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、あるいは側壁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標示装置全
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
空機のコックピット表示装置、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を詳細に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・フィルム上にテーパ付き導波管を
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45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″×５″×0.09″）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PET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PET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″
×５″×0.25″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、1cm×3cm×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、31部のトリメチロールプロパントリアクリレ
ート、１部のIrganox 1010酸化防止剤、２部のDarocure
1173フォトイニシエータ、２部のIrgacure 651フォト
イニシエータ、および２部のIrgacure 500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″×５″×0.25″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押圧し、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-visシステムは1000ワットの水銀−キセノン・ラ
ンプを含んでおり、輝度が86mW/cm²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、テーパ付き光
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いるアレイ・フィルムを裏返しにし
て、イソプロパノールの浴内に入れ、10分間放置した。
イソプロパノ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、テーパ付き光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秒間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200ミク
ロンであった。光導波管の小さい方の出力面の幅は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。光導波管のテーパ角は
したがって、12度であった。

例II 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。油煙粉の平均粉径は光導波管の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パ付光導波
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な
る。

例III 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
材の喪失はなかった。

例IV 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か
った。

例Ｖ 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放射線によって硬化させ
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VI 上記の例４をスターティング・ポイントとして用い
た。吸光性の黒材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
度のヘリウム−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
い出力パ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
付き光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力パターンに変換す
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、出力パターンの対称性が
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力パターン全体は、
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
・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
イは理想的なランバート・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47パーセン
トしか透過しないことである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビーソン，カール・ウエイン アメリカ合衆国、ニユー・ジヤージー・ 08540、プリンストン、ドツズ・レーン・ 197 (72)発明者 マクフアーランド，マイケル・ジエイムズ アメリカ合衆国、ニユー・ジヤージー・ 07882、ワシントン、マスコネツトコン 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、ニユー・ジヤージー・ 07960、モリスタウン、マツカロツク・ア ベニユー・40 (72)発明者 フアーム，ポール・マイケル アメリカ合衆国、ニユー・ジヤージー・ 07960、モリスタウン、サウス・ストリー ト・ナンバー・３・エイチ・320 (56)参考文献 特開 昭62−56930（ＪＰ，Ａ)

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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画像表示手段で
   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、 （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. 【請求項２】前記変調手段が液晶変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. 【請求項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
   とを備えていることを特徴とする、請求の範囲第２項に
   記載の装置。
4. 【請求項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. 【請求項５】前記間隙領域の全体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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。