JP2003091013A - Liquid crystal device, optical deflection element, picture display device using the optical deflection element, method for manufacturing optical deflection element and method for driving the optical deflection element - Google Patents
Liquid crystal device, optical deflection element, picture display device using the optical deflection element, method for manufacturing optical deflection element and method for driving the optical deflection elementInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶素子、光偏向
素子、該光偏向素子を用いた画像表示装置、光偏向素子
の製造方法、及び該光偏向素子の駆動方法に関し、より
具体的には、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍し
て表示する画像表示装置に適用可能で、マイクロ秒オー
ダーの高速スイッチィングを行うことにより光利用効率
の低下を抑えて高品質の画像表示を行うことができるよ
うにした光偏向素子に関する。The present invention relates to a liquid crystal element, a light deflection element, an image display device using the light deflection element, a method of manufacturing the light deflection element, and a method of driving the light deflection element, more specifically. Can be applied to an image display device that displays an image by multiplying the apparent number of pixels of the image display element. By performing high-speed switching on the order of microseconds, it is possible to suppress deterioration of light utilization efficiency and display a high-quality image. The present invention relates to a light deflection element capable of performing.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、光結合器の光インターコネク
ション素子として、イオン交換技術を用いた分布屈折率
型の平板マイクロレンズ、セルフォックレンズや回折型
のマイクロフレネルレンズ、さらに微小球面を利用した
マイクロレンズなどの様々なマイクロレンズが開発さ
れ、用いられている。これらのマイクロレンズは、ガラ
スなどの固体材料を用いて作製されているため、レンズ
単体の光学特性は固定されていて変化させることはでき
ない。2. Description of the Related Art Conventionally, as an optical interconnection element of an optical coupler, a distributed index type flat plate microlens using an ion exchange technique, a Selfoc lens, a diffractive type micro Fresnel lens, and a microsphere have been used. Various microlenses such as microlenses have been developed and used. Since these microlenses are made of a solid material such as glass, the optical characteristics of the lens itself are fixed and cannot be changed.
【0003】マイクロレンズ単体の光学特性である焦点
距離または光路を変化させることのできる素子(以後光
偏向素子と呼ぶ)としては、光学材料として液晶材料を
用いた液晶マイクロレンズが知られている。この液晶マ
イクロレンズは、レンズ部分となる領域にホールを有す
るホール・パターン電極が形成された2枚のガラス基板
により液晶層が挟まれ、各ガラス基板の電極のホール部
分が互いに対向するように配置された構成となってい
る。この液晶マイクロレンズでは、液晶セル内部のホー
ル部分において発生する、ホールの中心を通る軸(光
軸)にほぼ対称な不均一電界に沿って液晶分子が配向さ
れる。このホール部分における液晶分子の配向により屈
折率分布が生じ、レンズ効果が得られる。このときの屈
折率分布状態はほぼ二乗分布であり、良好なレンズ特性
が得られている。A liquid crystal microlens using a liquid crystal material as an optical material is known as an element (hereinafter referred to as an optical deflecting element) capable of changing a focal length or an optical path which is an optical characteristic of a single microlens. This liquid crystal microlens is arranged such that the liquid crystal layer is sandwiched between two glass substrates on which hole pattern electrodes having holes are formed in the regions to be the lens parts, and the hole parts of the electrodes of each glass substrate face each other. It has been configured. In this liquid crystal microlens, liquid crystal molecules are aligned along a nonuniform electric field that is generated in the hole portion inside the liquid crystal cell and is substantially symmetrical to an axis (optical axis) passing through the center of the hole. A refractive index distribution is generated by the orientation of liquid crystal molecules in the hole portion, and a lens effect is obtained. The refractive index distribution state at this time is almost a square distribution, and good lens characteristics are obtained.
【0004】上記のような液晶マイクロレンズとして
は、ネマティック液晶を用いたものがある。このネマテ
ィック液晶を用いたものでは、液晶セルへの印加電圧の
変化によってホール部分における屈折率分布を制御で
き、光軸方向に焦点が移動する焦点可変特性を得られ
る。As the liquid crystal microlens as described above, there is one using a nematic liquid crystal. With this nematic liquid crystal, the refractive index distribution in the hole portion can be controlled by changing the voltage applied to the liquid crystal cell, and a variable focus characteristic in which the focus moves in the optical axis direction can be obtained.
【0005】この他、紫外線硬化型液晶を用いた液晶マ
イクロレンズもある。紫外線硬化型液晶は、紫外線硬化
前において上述のネマティック液晶と同様の液晶特性を
示し、紫外線硬化後においてはポリマーフィルムと同様
な状態となる。この紫外線硬化型液晶を用いたもので
は、その紫外線硬化特性が利用される。すなわち、上記
のマイクロレンズでは、電圧が印加されるとホールの中
心を通る軸にほぼ対称な不均一電界に沿って液晶分子が
配向されて屈折率分布を生じ、分子配向が安定した後、
紫外線が照射されると、液晶が重合硬化してポリマーフ
イルムと同様な状態となり、紫外線照射前の配向状態が
維持される。重合硬化により配向状態が維持された後は
液晶特性を示さず、電圧無印加状態としてもレンズ効果
が維持される。In addition, there is a liquid crystal microlens using an ultraviolet curable liquid crystal. The ultraviolet curable liquid crystal shows the same liquid crystal characteristics as the above nematic liquid crystal before the ultraviolet curing, and becomes the same state as the polymer film after the ultraviolet curing. The one using this ultraviolet-curable liquid crystal utilizes its ultraviolet-curing property. That is, in the above-described microlens, when a voltage is applied, liquid crystal molecules are aligned along a non-uniform electric field that is substantially symmetrical to the axis passing through the center of the hole to generate a refractive index distribution, and after the molecular alignment is stabilized,
When irradiated with ultraviolet rays, the liquid crystal is polymerized and cured to be in a state similar to that of a polymer film, and the alignment state before irradiation with ultraviolet rays is maintained. After the alignment state is maintained by polymerization and curing, the liquid crystal characteristics are not exhibited, and the lens effect is maintained even when no voltage is applied.
【0006】以下に、高分子と液晶の混合により液晶レ
ンズの応答速度を高速化した従来例を紹介する。例え
ば、特開平11−142806号公報の「光学装置」
は、不均一電界を利用した物ではなく、ホログラムを利
用した液晶レンズの高速化であり、駆動方法が異なる。
焦点距離を変化させることは容易だが、光軸と垂直な方
向に焦点をシフトさせることは困難である。A conventional example in which the response speed of a liquid crystal lens is increased by mixing a polymer and a liquid crystal will be introduced below. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-142806 discloses "optical device".
Is the speedup of the liquid crystal lens using the hologram, not the one using the nonuniform electric field, and the driving method is different.
It is easy to change the focal length, but it is difficult to shift the focus in the direction perpendicular to the optical axis.
【0007】また特開平11−64817号公報の「可
変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、および可変偏角
プリズム」は、不均一電界を利用したものではなく、液
晶と基板界面の屈折率差と基板の形状を利用した液晶レ
ンズであり、焦点距離を変化させることは容易だが、光
軸と垂直な方向に焦点をシフトさせることは困難であ
る。また、高分子を混合することにより高速化したとの
記述があるが、具体的には説明されていない。The "variable focus lens, variable focus diffractive optical element, and variable deflection angle prism" disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-64817 does not utilize a nonuniform electric field, but rather a difference in refractive index between a liquid crystal and a substrate interface. It is a liquid crystal lens that uses the shape of the substrate, and it is easy to change the focal length, but it is difficult to shift the focus in the direction perpendicular to the optical axis. Further, it is described that the speed is increased by mixing a polymer, but it is not specifically explained.
【0008】「Graded Index Type Liquid Crystal Mic
rolens Using Small Amount of Polymer」:Materials
Science Forum, Vols.308-311 (1999) pp.591-596 H.Ku
sanagi et al.,では、不均一電界を利用した円形の液
晶マイクロレンズで、光硬化型の液晶高分子を18wt
%混合することにより1msec.程度の応答速度を達
成している。しかしミリ秒を切る高速化は達成されてい
ない。[Graded Index Type Liquid Crystal Mic
rolens Using Small Amount of Polymer '': Materials
Science Forum, Vols.308-311 (1999) pp.591-596 H.Ku
Sanagi et al., uses a circular liquid crystal microlens that utilizes an inhomogeneous electric field to produce 18 wt% of a photo-curable liquid crystal polymer.
%, A response speed of about 1 msec. Is achieved. However, speeding up to less than millisecond has not been achieved.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、液晶
レンズは、印加電圧によってレンズの焦点距離を連続的
に変化させることができる。しかしながら、従来の液晶
マイクロレンズでは電圧を印加しない状態における液晶
層については、配向膜による配向規制力のみで分子配向
を規制しており、電圧印加による駆動の際に、電圧印加
状態から無印加状態への液晶分子の回復時間が数秒以上
ときわめて遅くなるという欠点を有していた。上記の欠
点を解決する方法として、例えば、光硬化型の液晶高分
子を用いて液晶分子の応答速度の高速化が図られたが、
ミリ秒を切るまでの高速化は達成できていない。サブミ
リ秒の応答速度を持つ液晶レンズの報告は皆無である。As described above, in the liquid crystal lens, the focal length of the lens can be continuously changed by the applied voltage. However, in the conventional liquid crystal microlens, the liquid crystal layer in the state where no voltage is applied regulates the molecular orientation only by the orientation regulating force of the alignment film, and when driving by applying a voltage, the state in which the voltage is applied to the state in which no voltage is applied It has a drawback that the recovery time of liquid crystal molecules to the inside becomes extremely slow, being several seconds or more. As a method of solving the above-mentioned drawbacks, for example, a photo-curable liquid crystal polymer was used to increase the response speed of liquid crystal molecules.
Speeding up to less than millisecond has not been achieved. There are no reports of liquid crystal lenses with sub-millisecond response speed.
【0010】サブミリ秒の応答速度が実現された液晶レ
ンズの応用例としては、画素ずらし法による高精細画像
表示装置がある。画像表示用素子の画素を画素ずらし法
(例えば、特開平4−113308号公報、特開平5−
289004号公報、特開平6−324320号公報等
に開示)とは、元画像の画素を人間の目で認識できない
程度の速度で高速に振ることにより、見かけの画素を倍
増させる方法であり、安価に高精細な画像が得られる特
徴を持つ表示方法である。An application example of a liquid crystal lens that realizes a sub-millisecond response speed is a high-definition image display device using a pixel shift method. Pixel shifting method for pixels of the image display element (for example, JP-A-4-113308, JP-A-5-113308)
No. 289004 and Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320) are methods for doubling the apparent pixels by swaying the pixels of the original image at a high speed that cannot be recognized by human eyes. It is a display method that has the characteristic that a high-definition image can be obtained.
【0011】例えば、光源としてRGB三色のLED光
源を用い、一枚の液晶パネルに照射する光の色を高速に
切換えてカラー表示を行う、いわゆるフィールドシーケ
ンシャル方式を採用した場合、例えば画像表示のフレー
ム周波数が60Hzでカラー表示を行うために、1フレ
ーム内をさらに3色分に分割するため、各色に対応した
画像を180Hzで切換える処理行う。すなわち液晶パ
ネルの各色の画像の表示タイミングに合わせて、対応色
のLED光源をON/OFFすることで、観察者にはフ
ルカラー画像が見える。上記の方式はカラーフィルタを
使用せずに一枚の液晶パネルを用意すればよいので、画
像の高精細化と装置の小型化に有利である。For example, when a so-called field sequential system is adopted, in which an LED light source of RGB three colors is used as a light source and color display is performed by rapidly switching the colors of light irradiated on one liquid crystal panel, for example, in the case of image display. In order to perform color display at a frame frequency of 60 Hz, one frame is further divided into three colors, and therefore an image corresponding to each color is switched at 180 Hz. That is, by turning on / off the LED light source of the corresponding color in accordance with the display timing of the image of each color of the liquid crystal panel, the observer can see the full-color image. The above-described method is advantageous in improving the definition of an image and reducing the size of an apparatus because one liquid crystal panel may be prepared without using a color filter.
【0012】上記の構成において、液晶ライトバルブの
後方に液晶マイクロレンズを配置することによって画像
光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされる。こ
のシフトにより、画素が倍増され高精細な画像が得られ
る。画像の横方向に二倍の画素増倍を行うためには、画
素位置を120Hzでシフトさせ、サブフィールド画像
の表示時間は8.3ミリ秒以内である。この期間には、
光路が切り変わるのに必要な時間(光路切換え時間)Δ
tと液晶パネルが画像表示に使用できる時間を含んでい
る。画像表示に使用できる時間が長いほど、フィールド
シーケンシャル方式のLED発光時間を長くできるた
め、LEDの発光輝度を小さくすることができ、LED
光源の負担が小さくなる。したがって、光路切換え時間
Δtはできるだけ短い方が好ましく、高速な光路切換え
手段が必要になり、動画表示では500μsec.を切
る高速応答の液晶レンズが求められる。In the above arrangement, by disposing the liquid crystal microlens behind the liquid crystal light valve, the image light is shifted by an arbitrary distance in the pixel arrangement direction. By this shift, the number of pixels is doubled and a high-definition image is obtained. In order to double the pixel multiplication in the horizontal direction of the image, the pixel position is shifted by 120 Hz, and the display time of the subfield image is within 8.3 milliseconds. During this period,
Time required for switching the optical path (optical path switching time) Δ
t and the time when the liquid crystal panel can be used for image display. The longer the time that can be used for image display, the longer the LED emission time of the field-sequential method, and therefore the emission brightness of the LED can be reduced.
The burden on the light source is reduced. Therefore, it is preferable that the optical path switching time Δt is as short as possible, a high-speed optical path switching means is required, and a liquid crystal lens having a high-speed response of less than 500 μsec.
【0013】本発明は上述のごとき実情に鑑みてなされ
たもので、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して
表示する画像表示装置に適用可能で、マイクロ秒オーダ
ーの高速スイッチィングが可能とすることで、光利用効
率低下を抑え高品質の画像表示を可能とした液晶素子、
光偏向素子、該光偏向素子を用いた画像表示装置、光偏
向素子の製造方法、及び該光偏向素子の駆動方法を提供
することを目的とするものである。The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is applicable to an image display device for displaying by multiplying the apparent number of pixels of an image display element, and high-speed switching on the order of microseconds is possible. By making it possible, a liquid crystal element that suppresses deterioration of light utilization efficiency and enables high quality image display,
An object of the present invention is to provide a light deflection element, an image display device using the light deflection element, a method of manufacturing the light deflection element, and a method of driving the light deflection element.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、対向
配置される二枚の基板と、該基板間に封入される液晶分
子と高分子を含む液晶層と、各基板上に設けられた電極
と、前記液晶層と前記基板の間に設けられた配向膜と、
前記電極に印加する電圧を制御する電圧制御手段とを備
え、少なくとも一方の基板に設けられた電極は、該電極
のラインがアレイ上にそれぞれ間隔をあけて形成された
アレイ状電極であり、前記電圧制御手段は、前記アレイ
状電極の隣り合う電極に印加する電圧値を異なるように
電圧を印加することを特徴としたものである。According to a first aspect of the present invention, there are provided two substrates facing each other, a liquid crystal layer containing liquid crystal molecules and a polymer enclosed between the substrates, and each substrate. An electrode, an alignment film provided between the liquid crystal layer and the substrate,
A voltage control means for controlling a voltage applied to the electrodes, the electrodes provided on at least one substrate are array electrodes in which lines of the electrodes are formed at intervals on the array, The voltage control means is characterized in that the voltages are applied so that the voltage values applied to the adjacent electrodes of the array electrodes are different.
【0015】請求項2の発明は、入射光の光路を偏向可
能な機能を有し、画像表示装置に適用されて用いられる
光偏向素子であって、画像情報に従って光を制御可能な
複数の画素が二次元的に配列した画像表示素子と、該画
像表示素子を照明する光源及び照明装置と、前記画像表
示素子に表示した画像パターンを観察するための光学装
置と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフ
ィールドで形成する表示駆動手段と、前記光路偏向素子
を用いて各画素からの出射光の光路を偏向する光路偏向
手段とを備えて前記サブフィールド毎の光路の偏向状態
に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表
示することで前記画像表示素子のみかけ上の画素数を増
倍して表示する画像表示装置に適用される光偏向素子に
おいて、該光偏向素子は、対向配置される二枚の基板
と、少なくとも一方の該基板上に画素ピッチに対応して
形成した電極アレイと、該基板間に封入される高分子及
び液晶を含む液晶層とを有し、前記電極アレイによる前
記液晶層への電界を制御することにより入射光の光路偏
向を行うことを特徴としたものである。According to a second aspect of the present invention, there is provided a light deflection element which has a function of deflecting an optical path of incident light and is used by being applied to an image display device. The light deflection element can control light according to image information. A two-dimensionally arranged image display device, a light source and an illumination device for illuminating the image display device, an optical device for observing an image pattern displayed on the image display device, and an image field temporally divided. A plurality of subfields, and a light path deflecting means for deflecting the light path of the emitted light from each pixel by using the light path deflecting element, according to the deflection state of the light path for each subfield. In a light deflection element applied to an image display device for displaying an image pattern in a state in which the display position is displaced, the apparent number of pixels is multiplied and displayed. The child has two substrates arranged to face each other, an electrode array formed on at least one of the substrates corresponding to the pixel pitch, and a liquid crystal layer containing a polymer and liquid crystal sealed between the substrates. However, the optical path of incident light is deflected by controlling the electric field applied to the liquid crystal layer by the electrode array.
【0016】請求項3の発明は、請求項2の発明におい
て、前記液晶層に含まれる高分子は、重合硬化剤によっ
て重合硬化された高分子であることを特徴としたもので
ある。According to a third aspect of the invention, in the second aspect of the invention, the polymer contained in the liquid crystal layer is a polymer polymerized and cured by a polymerization curing agent.
【0017】請求項4の発明は、請求項3の発明におい
て、前記重合硬化剤は、光硬化型であることを特徴とし
たものである。According to a fourth aspect of the invention, in the third aspect of the invention, the polymerization curing agent is a photo-curing type.
【0018】請求項5の発明は、請求項3または4の発
明において、前記重合硬化された高分子は、液晶性骨格
を部分構造として有する光硬化型高分子であることを特
徴としたものである。The invention of claim 5 is characterized in that, in the invention of claim 3 or 4, the polymerized and cured polymer is a photocurable polymer having a liquid crystalline skeleton as a partial structure. is there.
【0019】請求項6の発明は、請求項4または5の発
明において、実使用時の電圧非印加状態において定めら
れる液晶配向方向に強制的に液晶を配向せしめるように
電界を印加した状態で、前記高分子を光硬化させて作成
したことを特徴としたものである。According to a sixth aspect of the invention, in the fourth or fifth aspect of the invention, an electric field is applied so as to forcibly align the liquid crystal in the liquid crystal alignment direction determined in the voltage non-application state during actual use, It is characterized in that it is prepared by photocuring the polymer.
【0020】請求項7の発明は、請求項6の発明におい
て、前記実使用時の電圧非印加状態において定められる
液晶配向方向は、前記基板に平行な方向であることを特
徴としたものである。The invention of claim 7 is characterized in that, in the invention of claim 6, the liquid crystal alignment direction determined in the voltage non-application state during actual use is a direction parallel to the substrate. .
【0021】請求項8の発明は、請求項3ないし7のい
ずれか1の発明において、前記高分子を得るために重合
硬化させるモノマーまたはプレポリマーの前記液晶層の
構成材料に対する混合比が、15wt%以上50wt%
以下の範囲であることを特徴としたものである。The invention of claim 8 is the invention of any one of claims 3 to 7, wherein the mixing ratio of the monomer or prepolymer to be polymerized and cured to obtain the polymer is 15 wt% to the constituent material of the liquid crystal layer. % Or more 50 wt%
It is characterized by being in the following range.
【0022】請求項9の発明は、請求項2ないし8のい
ずれか1の発明において、前記液晶層の厚みは、20μ
m以下であることを特徴としたものである。According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the second to eighth aspects, the liquid crystal layer has a thickness of 20 μm.
It is characterized by being m or less.
【0023】請求項10の発明は、請求項2ないし9の
いずれか1の発明において、該光偏向素子は、前記液晶
層の液晶分子を駆動する駆動手段を有し、該駆動手段
は、該液晶分子の駆動電圧が30V/μm以下であるこ
とを特徴としたものである。According to a tenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the second to ninth aspects, the light deflection element has a driving means for driving the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer, and the driving means is the The driving voltage of the liquid crystal molecules is 30 V / μm or less.
【0024】請求項11の発明は、画像情報に従って光
を制御可能な複数の画素が二次元的に配列した画像表示
素子と、該画像表示素子を照明する光源及び照明装置
と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察す
るための光学装置と、画像フィールドを時間的に分割し
た複数のサブフィールドで形成する表示駆動手段と、各
画素からの出射光の光路を偏向する光偏向素子を用いた
光路偏向手段とを有し、サブフィールド毎の光路の偏向
状態に応じて表示位置がずれている状態の画像パターン
を表示することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を
増倍して表示する画像表示装置において、前記光路偏向
手段は、請求項1ないし10のいずれか1に記載の光偏
向素子と、前記表示駆動手段に同期して該光偏向素子が
有する電極アレイへの電圧印加状態を変化させる光路偏
向駆動手段とを有することを特徴としたものである。According to an eleventh aspect of the present invention, an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are two-dimensionally arranged, a light source and an illumination device for illuminating the image display element, and the image display element An optical device for observing the image pattern displayed on the display, a display drive means for forming an image field by a plurality of time-divided subfields, and a light deflection element for deflecting the optical path of light emitted from each pixel. By displaying the image pattern in which the display position is shifted according to the deflection state of the optical path for each subfield, the apparent number of pixels of the image display element is increased. In the image display device for displaying, the optical path deflecting means is an optical deflecting element according to any one of claims 1 to 10 and an electrode array included in the optical deflecting element in synchronization with the display driving means. It is obtained by; and a light path deflection drive means for changing the voltage applied state.
【0025】請求項12の発明は、請求項11の発明に
おいて、前記光路偏向手段は、前記画像表示素子画素の
二次元的な配列方向に対して、前記画素の第一の画素配
列方向に沿って、入射されてくる前記画像パターンの光
路の偏向、及び/または、該画像パターンの集光される
焦点位置の移動が可能な請求項1ないし10のいずれか
1に記載の第一の光偏向素子と、前記画素の第二の画素
配列方向に沿って、前記第一の光偏向素子を介して入射
されてくる前記画像パターンの光路の偏向、及び/また
は、該画像パターンの集光される焦点位置の移動が可能
な請求項1ないし10のいずれか1に記載の光偏向素子
とを有し、更には、直線偏光の偏光面の方向を、前記第
一の画素配列方向から前記第二の画素配列方向に回転さ
せることができる偏光面回転手段が、前記第一の光偏向
素子と第二の光偏向素子との間に配置されていることを
特徴としたものである。According to a twelfth aspect of the invention, in the invention of the eleventh aspect, the optical path deflecting means is arranged along a first pixel arrangement direction of the pixels with respect to a two-dimensional arrangement direction of the image display element pixels. 11. The first optical deflection according to claim 1, wherein the optical path of the incident image pattern can be deflected and / or the focal position of the image pattern to be condensed can be moved. The element and the second pixel array direction of the pixels, the optical path of the image pattern incident through the first light deflection element is deflected, and / or the image pattern is condensed. The optical deflection element according to any one of claims 1 to 10 capable of moving a focal position, further comprising: a direction of a plane of polarization of linearly polarized light from the first pixel array direction to the second pixel array direction. Can be rotated in the pixel array direction Light plane rotating means, it is obtained by said being disposed between the first optical deflecting elements and the second optical deflecting elements.
【0026】請求項13の発明は、入射光の光路を偏向
可能な機能を有し、画像表示装置に適用されて用いられ
る光路偏向素子の製造方法であって、画像情報に従って
光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列した画像表
示素子と、該画像表示素子を照明する光源及び照明装置
と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察す
るための光学装置と、画像フィールドを時間的に分割し
た複数のサブフィールドで形成する表示駆動手段と、前
記光路偏向素子を用いて各画素からの出射光の光路を偏
向する光路偏向手段とを備えて前記サブフィールド毎の
光路の偏向状態に応じて表示位置がずれている状態の画
像パターンを表示することで前記画像表示素子の見かけ
上の画素数を増倍して表示する画像表示装置に適用され
る光偏向素子の製造方法において、該光偏向素子は、対
向配置される二枚の基板を用意し、少なくとも一方の該
基板上に画素ピッチに対応して電極アレイを形成し、高
分子と液晶とを含む液晶層とを前記基板間に封入するこ
とにより製造することを特徴としたものである。According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an optical path deflecting element which has a function of deflecting an optical path of incident light and is used by being applied to an image display device, wherein the light can be controlled according to image information. An image display device in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged, a light source and an illumination device for illuminating the image display device, an optical device for observing an image pattern displayed on the image display device, and an image field for time. A display drive unit formed of a plurality of subfields that are divided into a plurality of subfields, and an optical path deflecting unit that deflects the optical path of the light emitted from each pixel by using the optical path deflecting element. A light deflection element applied to an image display device for displaying an image pattern whose display position is shifted according to In the method, the light deflecting element is prepared by preparing two substrates to be opposed to each other, forming an electrode array corresponding to a pixel pitch on at least one of the substrates, and a liquid crystal layer containing a polymer and a liquid crystal. It is characterized by being manufactured by encapsulating between the above substrates.
【0027】請求項14の発明は、請求項13の発明に
おいて、前記液晶層に含まれる高分子は、重合硬化剤に
よって重合硬化した高分子とすることを特徴としたもの
である。According to a fourteenth aspect of the present invention, in the thirteenth aspect, the polymer contained in the liquid crystal layer is a polymer polymerized and cured by a polymerization curing agent.
【0028】請求項15の発明は、請求項14の発明に
おいて、前記重合硬化剤として、光硬化型の重合硬化剤
を用いることを特徴としたものである。According to a fifteenth aspect of the invention, in the invention of the fourteenth aspect, a photo-curing type polymerization curing agent is used as the polymerization curing agent.
【0029】請求項16の発明は、請求項14または1
5の発明において、前記高分子として、液晶性骨格を部
分構造として有する光硬化型高分子を用いることを特徴
としたものである。The invention of claim 16 relates to claim 14 or 1.
In the invention of Item 5, a photocurable polymer having a liquid crystal skeleton as a partial structure is used as the polymer.
【0030】請求項17の発明は、請求項15または1
6の発明において、実使用時の電圧非印加状態において
定められる液晶配向方向に強制的に液晶を配向せしめる
ように電界を印加した状態で、前記高分子を光硬化させ
ることを特徴としたものである。The invention of claim 17 is the same as claim 15 or 1.
In the invention of Item 6, the polymer is photocured in a state in which an electric field is applied so as to forcibly align the liquid crystal in a liquid crystal alignment direction determined in a voltage non-application state during actual use. is there.
【0031】請求項18の発明は、請求項17の発明に
おいて、前記実使用時の電圧非印加状態において定めら
れる液晶配向方向は、前記基板に平行な方向であること
を特徴としたものである。According to an eighteenth aspect of the invention, in the seventeenth aspect of the invention, the liquid crystal alignment direction determined in the voltage non-application state during the actual use is a direction parallel to the substrate. .
【0032】請求項19の発明は、請求項14ないし1
8のいずれか1の発明において、前記高分子を得るため
に重合硬化させるモノマーまたはプレポリマーの前記液
晶層の構成材料に対する混合比を、15wt%以上50
wt%以下の範囲とすることを特徴としたものである。The invention of claim 19 relates to claims 14 to 1.
In the invention of any one of 8 above, the mixing ratio of the monomer or prepolymer to be polymerized and cured to obtain the polymer to the constituent material of the liquid crystal layer is 15 wt% or more and 50% or more.
It is characterized in that the range is less than or equal to wt%.
【0033】請求項20の発明は、請求項13ないし1
9のいずれか1の発明において、前記液晶層の厚みを、
20μm以下とすることを特徴としたものである。The twentieth aspect of the present invention provides the thirteenth to first aspects.
In the invention of any one of 9 above, the thickness of the liquid crystal layer is
The feature is that the thickness is 20 μm or less.
【0034】請求項21の発明は、請求項2ないし10
のいずれか1に記載の光偏向素子の液晶分子を駆動する
ための光偏向素子の駆動方法において、前記液晶層の液
晶分子を駆動する駆動手段における駆動電圧を30V/
μm以下とすることを特徴としたものである。The invention of claim 21 relates to claims 2 to 10.
In the method of driving the liquid crystal molecules of the light deflecting element according to any one of items 1 to 5, the driving voltage in the driving unit that drives the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer is 30 V /
It is characterized in that the thickness is not more than μm.
【0035】[0035]
【発明の実施の形態】本発明の液晶素子(光偏向素子)
の実施例について説明する。請求項1の液晶素子は光偏
向素子として機能することができる。以下の実施例で
は、光偏向素子として用語を統一して使用する。図1
は、本発明の光偏向素子の概略構成を説明するための図
で、図中、1は透明基板、2は液晶層、3は電極(櫛形
電極アレイ)、4は配向膜、5は液晶層に対する電界を
制御することにより光路偏向を行う光路偏向駆動手段で
ある。図2は、本発明の光偏向素子の電極4として適用
される櫛型電極アレイの構成例を示す概略図である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Liquid crystal element (optical deflecting element) of the present invention
An example will be described. The liquid crystal element according to claim 1 can function as a light deflection element. In the following embodiments, the terms will be used in a unified manner as the light deflection element. Figure 1
FIG. 3 is a diagram for explaining a schematic configuration of the optical deflecting element of the present invention, in which 1 is a transparent substrate, 2 is a liquid crystal layer, 3 is an electrode (comb-shaped electrode array), 4 is an alignment film, and 5 is a liquid crystal layer. Is an optical path deflection driving means for performing optical path deflection by controlling the electric field with respect to. FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a comb-shaped electrode array applied as the electrode 4 of the light deflection element of the present invention.
【0036】本発明の光偏向素子は液晶マイクロレンズ
に基づく技術によって得られるものであり、図1に示す
ように、2枚の透明基板1と、少なくとも一方の透明基
板上にレンズ形成のために配した図2に示すごとくの櫛
形電極アレイによる電極3と、2枚の透明基板1間への
電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層2
と、上記電極3への電圧印加状態を変化させる光路偏向
駆動手段とを有する。また電極3の液晶層2に接する面
は、液晶分子が配向するような機能を付与することが好
ましい。配向機能の付与には、TN液晶、STN液晶等
に用いられるポリイミド等の通常の配向膜4を利用する
ことができる。配向膜4にはラビング処理や光配向処理
を施すことが好ましい。さらに、透明電極の表面には絶
縁膜(図示せず)を設けても良い。光路偏向駆動手段5
による上記櫛形電極アレイの印加電圧の制御によって、
フレネル状のレンズを得ることができる。The light deflection element of the present invention is obtained by a technique based on a liquid crystal microlens. As shown in FIG. 1, two transparent substrates 1 and at least one transparent substrate are used to form lenses. The electrodes 3 formed by the comb-shaped electrode array as shown in FIG. 2 and the liquid crystal layer 2 in which the refractive index distribution can be controlled by applying a voltage between the two transparent substrates 1
And optical path deflection drive means for changing the voltage application state to the electrode 3. The surface of the electrode 3 in contact with the liquid crystal layer 2 preferably has a function of aligning liquid crystal molecules. To provide the alignment function, a normal alignment film 4 such as polyimide used for TN liquid crystal, STN liquid crystal and the like can be used. The alignment film 4 is preferably subjected to rubbing treatment or photo-alignment treatment. Furthermore, an insulating film (not shown) may be provided on the surface of the transparent electrode. Optical path deflection driving means 5
By controlling the applied voltage of the comb-shaped electrode array by
A Fresnel lens can be obtained.
【0037】上記透明基板1の材質としては、ガラス、
プラスチック等を使用することができる。また櫛形電極
アレイにおける電極3の材質としては、ITO,Cr,
Al等が利用できる。電極3は液晶層2側の透明基板1
上に設置する。また、使用する透明基板1自身が導電性
を有している場合は、透明基板1を電極としても利用す
ることができる。少なくとも一方の透明基板側では、電
極がアレイ状に形成されている。The material of the transparent substrate 1 is glass,
Plastic or the like can be used. The material of the electrode 3 in the comb-shaped electrode array is ITO, Cr,
Al or the like can be used. The electrode 3 is the transparent substrate 1 on the liquid crystal layer 2 side.
Install on top. In addition, when the transparent substrate 1 itself used has conductivity, the transparent substrate 1 can also be used as an electrode. The electrodes are formed in an array on at least one transparent substrate side.
【0038】液晶層2は、2枚の透明基板1の間に設け
られ、少なくとも重合硬化剤によって重合硬化された状
態の高分子と液晶とを含んでいる。液晶層2は、例えば
一般的なネマチック液晶と重合硬化可能なモノマーまた
はプレポリマーとの混合系を用意し、そのモノマーまた
はプレポリマーを重合硬化することにより、前記ネマテ
ィック液晶が所望の配向状態で維持されるように形成す
る(以下これを第1の状態と呼ぶ)。The liquid crystal layer 2 is provided between the two transparent substrates 1 and contains at least a polymer polymerized and cured by a polymerization curing agent and a liquid crystal. For the liquid crystal layer 2, for example, a mixed system of a general nematic liquid crystal and a polymerizable or curable monomer or prepolymer is prepared, and the monomer or prepolymer is polymerized and cured to maintain the nematic liquid crystal in a desired alignment state. As described above (hereinafter referred to as the first state).
【0039】電極3への電圧印加による液晶層2の液晶
の駆動に際し、液晶は電界により再配向されて、上記の
第1の状態から所望の第2の状態へ遷移する。上述した
ように液晶層に高分子と液晶とを含む構成とし、特に重
合硬化剤によって重合硬化された状態の高分子と液晶と
を含む構成とした場合に、駆動の際の上記第2の状態か
ら第1の状態への液晶分子の配向の回復において、配向
膜のみの規制力で液晶の配向を回復させた場合と比較し
て、上記の液晶層構成のものは格段に応答速度を向上さ
せることができる。When the liquid crystal of the liquid crystal layer 2 is driven by applying a voltage to the electrode 3, the liquid crystal is re-aligned by the electric field and transits from the above-mentioned first state to the desired second state. In the case where the liquid crystal layer is configured to include the polymer and the liquid crystal as described above, and particularly to the configuration including the polymer and the liquid crystal polymerized and cured by the polymerization curing agent, the second state at the time of driving In the recovery of the alignment of liquid crystal molecules from the liquid crystal to the first state, the response speed of the liquid crystal layer structure is remarkably improved as compared with the case where the alignment of the liquid crystal is recovered by the regulating force of only the alignment film. be able to.
【0040】これは、液晶と高分子の接触面積が広く、
液晶に対する高分子の配向規制力が強いことにより、液
晶の電界に対する応答速度を大幅に高速化できるためで
ある。画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示
する画像表示装置において、光偏向素子がマイクロ秒オ
ーダーの高速スイッチィングが可能となることで、光利
用効率低下を抑え高品質の画像表示を可能とすることが
できる。This is because the contact area between the liquid crystal and the polymer is wide,
This is because the alignment control force of the polymer with respect to the liquid crystal is strong, so that the response speed of the liquid crystal to the electric field can be significantly increased. In an image display device that displays an image by multiplying the apparent number of pixels of the image display element, the light deflection element can perform high-speed switching on the order of microseconds, thereby suppressing deterioration of light utilization efficiency and displaying a high-quality image. Can be possible.
【0041】上記のモノマーまたはプレポリマーとして
は、ディバイスの形成しやすさ、及び材料選択幅の広さ
の点で光硬化型のものが優れており、硬化時の条件に自
由度があり熱硬化型に比べ高速化設計に適している。光
硬化型の材料を用いることにより、ディバイスセルへの
液晶注入後光を照射するのみでディバイスを作製するこ
とができる。また光強度、硬化時間をコントロールする
ことで高速化に適した高分子構造を容易に得ることがで
きるため、熱硬化型の高分子と比較し格段の高速化が望
める。As the above-mentioned monomer or prepolymer, the photo-curing type is excellent in terms of easiness of forming a device and wide selection range of materials, and there is a degree of freedom in curing conditions, and heat curing is preferable. Suitable for high-speed design compared to molds. By using the photo-curable material, the device can be manufactured only by irradiating light after the liquid crystal is injected into the device cell. Further, by controlling the light intensity and the curing time, it is possible to easily obtain a polymer structure suitable for speeding up, and thus it is expected that the speeding up will be significantly higher than that of a thermosetting polymer.
【0042】さらに、モノマーまたはプレポリマーによ
って形成される高分子は、屈折率の変化量を大きくする
ことや白濁防止のために、液晶性要素を部分構造として
有することが望ましい。図3は、本発明に適用可能な液
晶層のモデルを模式的に示す図で、液晶要素eが高分子
骨格中に存在する高分子Pと、液晶分子2Lとが配向し
た状態となっている。上記のような高分子Pは、高分子
骨格に液晶性の置換基(液晶性要素e)が付いているた
め、高分子骨格部分も配向し、電圧をかけたときとかけ
ないときとにおける屈折率変化を大きくすることがで
き、また硬化時に白濁がない透明なディバイスを作成す
ることができる。Further, the polymer formed of the monomer or prepolymer preferably has a liquid crystal element as a partial structure in order to increase the amount of change in refractive index and prevent clouding. FIG. 3 is a diagram schematically showing a model of a liquid crystal layer applicable to the present invention, in which the polymer P in which the liquid crystal element e exists in the polymer skeleton and the liquid crystal molecules 2L are aligned. . In the polymer P as described above, since the polymer skeleton has a liquid crystal substituent (liquid crystalline element e), the polymer skeleton portion is also oriented and refraction occurs when a voltage is applied and when it is not applied. The rate change can be increased, and a transparent device that is free from cloudiness during curing can be created.
【0043】また、上記のごときに光硬化型モノマーま
たはプレポリマーを光硬化させる際に、実使用時の電圧
非印加状態において定められる液晶配向方向に、電界印
加によって強制的に配向させた状態で光硬化させること
で、より配向規制力が増した高速なディバイスとするこ
とができる。すなわち、液晶の配向方向を所定の無電界
状態の方向に向かせることで、良好な光偏向を可能とす
ることができる。なお、ここで述べる電圧非印加状態と
は、液晶配向方向を変化させる閾値電圧以上の電圧を印
加していない状態を指し、全く電圧を付与しない状態の
みならず、例えば高速スイッチングのためのバイアス電
圧を印加している状態等を指す。When the photo-curable monomer or prepolymer is photo-cured as described above, the liquid crystal is aligned in the liquid crystal alignment direction determined by the voltage application in the actual use without applying a voltage. By photo-curing, it is possible to obtain a high-speed device having an increased alignment regulating force. That is, by directing the alignment direction of the liquid crystal to a predetermined non-electric field state, good light deflection can be achieved. The voltage non-application state described here refers to a state in which a voltage equal to or higher than a threshold voltage for changing the liquid crystal alignment direction is not applied, and not only a state in which no voltage is applied, but a bias voltage for high-speed switching, for example. Indicates a state in which is applied.
【0044】上記電圧非印加状態において液晶がホモジ
ニアス配向をとる場合には、液晶の長軸(Δεが正の場
合)または短軸(Δεが負の場合)が透明基板1に平行
となるように、基板と平行に電界を印加した状態で光硬
化させることで、より配向規制力が増し高速なディバイ
スとすることができる。印加する電界強度としては、素
子駆動時に印加する電界と同程度であればよく、0.1
V/μm以上、望ましくは2V/μm以上印加するのが
好適である。液晶の長軸が基板と平行になるようにする
ことにより、駆動時の屈折率変化が大きく、かつ液晶の
回復時間をより速くすることができる。When the liquid crystal has a homogeneous orientation in the state where no voltage is applied, the long axis (when Δε is positive) or the short axis (when Δε is negative) of the liquid crystal is parallel to the transparent substrate 1. By photo-curing in a state where an electric field is applied in parallel with the substrate, the alignment regulating force is further increased and a high-speed device can be obtained. The strength of the applied electric field may be about the same as the electric field applied when the device is driven,
It is suitable to apply V / μm or more, preferably 2 V / μm or more. By setting the long axis of the liquid crystal to be parallel to the substrate, the change in the refractive index during driving is large, and the recovery time of the liquid crystal can be shortened.
【0045】また、上述した液晶性骨格を部分構造とし
て有する光硬化型高分子のプレポリマーとしては、例え
ば図4に示すような化合物があげられるが、本発明に適
用可能な光硬化型高分子プレポリマーとしてはこれらに
限定されるものではない。また、液晶材料中における重
合硬化可能なモノマーまたはプレポリマーの含有量を1
5wt%以上とすると、後述の実施例1に示す通り所定
条件で500μsec.以下の応答性を確保することが
でき、光偏向素子を特に動画表示用の画像表示装置に応
用することが可能となり好ましい。As a prepolymer of the photocurable polymer having the above-mentioned liquid crystal skeleton as a partial structure, for example, a compound as shown in FIG. 4 can be mentioned, and the photocurable polymer applicable to the present invention. The prepolymer is not limited to these. Further, the content of the polymerizable and curable monomer or prepolymer in the liquid crystal material is set to 1
When it is 5 wt% or more, it is possible to secure a response of 500 μsec. Or less under a predetermined condition as shown in Example 1 described later, and it is possible to apply the light deflection element particularly to an image display device for displaying moving images, which is preferable. .
【0046】ただし、液晶層の材料中における上記モノ
マーまたはプレポリマーの含有量を50wt%以上とす
ると、重合後のポリマーによる液晶の動きの束縛が強く
なり、電界による屈折率変化が小さくなって十分な画素
縮小効果が得られない。モノマーまたはプレポリマーの
含有量とレンズ効果の評価結果を図5に示すように、プ
レポリマーの含有量を50wt%以下とすることで十分
な屈折率変化を得ることができる。またモノマーまたは
プレポリマーを液晶材料に対して15wt%以上混合す
ることで、さらに高速なディバイスが得られる(実施例
1にて後述)。However, if the content of the above-mentioned monomer or prepolymer in the material of the liquid crystal layer is 50 wt% or more, the restraint of the movement of the liquid crystal by the polymer after polymerization becomes strong, and the change in the refractive index due to the electric field becomes small, which is sufficient. No effective pixel reduction effect can be obtained. As shown in FIG. 5 showing the evaluation results of the content of the monomer or the prepolymer and the lens effect, a sufficient refractive index change can be obtained by setting the content of the prepolymer to 50 wt% or less. Further, by mixing the monomer or prepolymer in an amount of 15 wt% or more with respect to the liquid crystal material, an even faster device can be obtained (described later in Example 1).
【0047】上記の液晶層2の材料は、複屈折Δnや誘
電異方性Δεが大きい方が好ましい。液晶層2の厚さは
透明基板1の間のスペーサ部材の厚さよって設定し、ス
ペーサ部材は光の透過を阻害することがないように、液
晶層2の周辺部にのみ設けることが好ましい。さらに、
応答速度を500μsec.以下に高速化するため液晶
層2の厚みは20μm以下であることが必要であり、低
電圧駆動を実現するために5μm以下であるとさらに望
ましい。しかし、液晶層の厚みを1μm以下にすると、
速度は速くなるが、基板間のギャップを均一に制御する
ことが困難になり素子の製造が難しくなる。従って、液
晶層2の厚みを20μm以下とすることでマイクロ秒の
高速スイッチィングが可能なディバイスを得ることがで
きる。液晶層2の厚みの評価例は実施例5にて後述す
る。The material of the liquid crystal layer 2 preferably has a large birefringence Δn and a large dielectric anisotropy Δε. The thickness of the liquid crystal layer 2 is set according to the thickness of the spacer member between the transparent substrates 1, and the spacer member is preferably provided only in the peripheral portion of the liquid crystal layer 2 so as not to hinder the transmission of light. further,
The liquid crystal layer 2 needs to have a thickness of 20 μm or less in order to increase the response speed to 500 μsec. Or less, and more preferably 5 μm or less in order to realize low voltage driving. However, if the thickness of the liquid crystal layer is 1 μm or less,
Although the speed increases, it becomes difficult to uniformly control the gap between the substrates, which makes it difficult to manufacture the device. Therefore, by setting the thickness of the liquid crystal layer 2 to 20 μm or less, a device capable of high-speed switching for microseconds can be obtained. An example of evaluating the thickness of the liquid crystal layer 2 will be described later in Example 5.
【0048】また液晶の駆動時の電界としては、30V
/μm以下である必要があり、これ以上の電界強度で駆
動した場合は、ポリマー構造が乱れ、散乱による不具合
が発生する。光偏向素子を駆動する電圧を30V/μm
以下とすることで、デバイスのポリマー構造を壊れにく
くすることができる。駆動電圧とポリマー構造に関する
評価例は、実施例2にて後述する。The electric field at the time of driving the liquid crystal is 30 V.
/ Μm or less, and when driven with an electric field strength higher than this, the polymer structure is disturbed and problems due to scattering occur. The voltage to drive the light deflection element is 30 V / μm
The following can make the polymer structure of the device less likely to break. An example of evaluation of driving voltage and polymer structure will be described later in Example 2.
【0049】以下本発明の光偏向素子の動作について説
明する。図6は、液晶セルにおける液晶の配向状態を模
式的に示す図で、無電界による非動作時の液晶配向を図
6(A)に、電極への第1の電圧印加状態における液晶
配向(状態Iとする)を図6(B)に、電極への第2の
電圧印加状態における液晶配向(状態IIとする)を図6
(C)に示すものである。図6において、1は透明基
板、2Lは液晶分子、3は電極、10は液晶セルであ
る。The operation of the optical deflector of the present invention will be described below. FIG. 6 is a diagram schematically showing the alignment state of the liquid crystal in the liquid crystal cell. FIG. 6A shows the liquid crystal alignment in the non-operating state by no electric field, and FIG. 6A shows the liquid crystal alignment (state) in the state where the first voltage is applied to the electrodes. 6B shows the liquid crystal orientation (referred to as state II) in the state where the second voltage is applied to the electrodes.
It is shown in (C). In FIG. 6, 1 is a transparent substrate, 2L is liquid crystal molecules, 3 is an electrode, and 10 is a liquid crystal cell.
【0050】図6(A)に示すように、無電界の状態で
は液晶分子2Lが透明基板1に沿って平行になるように
ホモジニアス配向処理されている。図6(A)では、液
晶分子2Lの長軸方向が紙面の左右方向に一致するよう
な配向処理を想定している。上側の透明基板1には電極
3のラインがアレイ状に形成されている。この状態にお
いては、液晶分子の配向方向による屈折率の分布による
影響を受けないため液晶層中を通過する光lは直進す
る。なお、下側透明基板1の電極3は全面に形成されて
いるが、上側の電極3に対称なアレイ電極として構成し
てもよい。As shown in FIG. 6A, in the state of no electric field, the liquid crystal molecules 2L are homogeneously aligned so as to be parallel to each other along the transparent substrate 1. In FIG. 6A, it is assumed that the liquid crystal molecules 2L are aligned so that the major axis direction of the liquid crystal molecules 2L is aligned with the horizontal direction of the paper. The lines of the electrodes 3 are formed in an array on the upper transparent substrate 1. In this state, the light 1 passing through the liquid crystal layer travels straight because it is not affected by the distribution of the refractive index depending on the alignment direction of the liquid crystal molecules. Although the electrode 3 of the lower transparent substrate 1 is formed on the entire surface, it may be formed as an array electrode symmetrical to the upper electrode 3.
【0051】図6(B)の状態Iは、網掛け表示した電
極3のラインにのみ閾値以上の電圧を印加した場合を示
す。電圧を印加した電極3の該当部分では、電界によっ
て液晶分子2Lが透明基板1の表面に垂直に配向し、無
印加の電極3の該当部分では、液晶分子2Lは透明基板
1に水平に配向したままになる。このような液晶セル内
部の不均一電界による配向方向の分布によって異常光に
対する屈折率分布が生じる。このため、液晶層中を通過
する光lは図のように偏向されることとなる。State I in FIG. 6B shows the case where a voltage equal to or higher than the threshold value is applied only to the line of the shaded electrode 3. In the corresponding part of the electrode 3 to which a voltage is applied, the liquid crystal molecules 2L are aligned vertically to the surface of the transparent substrate 1 by the electric field, and in the corresponding part of the electrode 3 to which no voltage is applied, the liquid crystal molecules 2L are aligned horizontally to the transparent substrate 1. Leave. The distribution of the alignment direction due to the non-uniform electric field inside the liquid crystal cell causes a refractive index distribution for extraordinary light. Therefore, the light 1 passing through the liquid crystal layer is deflected as shown in the figure.
【0052】図7は、図6に示す液晶セルにおける屈折
率分布の切り替えについて説明するための図である。例
えば、図6に示す液晶セル10に紙面と平行な偏光面を
持つ直線偏光を入射させる場合、液晶分子長軸が基板に
垂直に配向するに従って実効的な屈折率が小さくなる。
図6(B)に示す状態Iの電圧印加状態の場合、上記直
線偏光に対する液晶セル10の屈折率分布は図7の実線
(状態I)に示すようになる。次に、図6(C)の状態I
Iに示すように電圧を印加する電極を切換えると、液晶
分子の配向状態も変化し、図7の破線(状態II)に示す
ような屈折率分布に変化する。このため、液晶層中を通
過する光lは図のように図6(C)の状態とは異なる方
向に偏向されることとなる。上の例では図1中の光路偏
向駆動手段5により電圧を印加する電極を切り換えるよ
うにしている制御を行っている。しかし、光を偏向させ
るためには、液晶層中の電界に勾配が生じるようにすれ
ば良い。したがって、アレイ状電極の隣り合う電極や複
数ライン単位で印加電圧の大きさ(絶対値)が異なるよ
うに電圧を印加するように光路偏向駆動手段5を制御す
るようにしてもよい。FIG. 7 is a diagram for explaining switching of the refractive index distribution in the liquid crystal cell shown in FIG. For example, when linearly polarized light having a polarization plane parallel to the paper surface is incident on the liquid crystal cell 10 shown in FIG. 6, the effective refractive index becomes smaller as the long axis of the liquid crystal molecules is aligned perpendicularly to the substrate.
When the voltage is applied in the state I shown in FIG. 6B, the refractive index distribution of the liquid crystal cell 10 with respect to the linearly polarized light is as shown by the solid line (state I) in FIG. Next, state I in FIG. 6 (C)
When the electrodes to which a voltage is applied are switched as shown by I, the alignment state of the liquid crystal molecules also changes, and the refractive index distribution changes as shown by the broken line (state II) in FIG. Therefore, the light 1 passing through the liquid crystal layer is deflected in a direction different from that in the state of FIG. In the above example, the control for switching the electrodes to which the voltage is applied is performed by the optical path deflection driving means 5 in FIG. However, in order to deflect the light, a gradient may be generated in the electric field in the liquid crystal layer. Therefore, the optical path deflection driving means 5 may be controlled so that the voltage is applied so that the magnitude (absolute value) of the applied voltage is different between adjacent electrodes of the array-like electrode or in units of a plurality of lines.
【0053】図8は、液晶ライトバルブの四つの画素か
ら出射してきた光が紙面下側から液晶セルに入射する状
態を模式的に説明するための図で、図中、10は液晶セ
ル、11は入射側画素、12は入射光、13は出射光、
14は出射側画素である。例えば、液晶セル10が上記
の状態Iの時、4つの入射側画素11に第1のサブフレ
ームとしてそれぞれ(a)、(c)、(e)、(g)の
状態を表示するとき、図7に示す実線の屈折率分布によ
って上記(a)と(c)、(e)と(g)がそれぞれ縮小
される。このとき、図8に実線で示すように、出力側画
素14の画素ピッチは一定でなくなる。FIG. 8 is a view for schematically explaining a state in which the light emitted from the four pixels of the liquid crystal light valve is incident on the liquid crystal cell from the lower side of the paper, in which 10 is a liquid crystal cell and 11 is a liquid crystal cell. Is an incident side pixel, 12 is an incident light, 13 is an emitted light,
Reference numeral 14 is an emission side pixel. For example, when the liquid crystal cell 10 is in the above state I and the four incident side pixels 11 display the states (a), (c), (e) and (g) as the first sub-frames, respectively, The above-mentioned (a) and (c) and (e) and (g) are reduced by the solid line refractive index distribution shown in FIG. At this time, as indicated by the solid line in FIG. 8, the pixel pitch of the output side pixels 14 is not constant.
【0054】次に第2のサブフレームの表示タイミング
に合わせて、図6(C)に示す電圧を印加する電極を切
換えると、屈折率分布は図7に示す状態IIのように切り
換わる。ここで、第2のサブフレームとして(b)
(d)(f)(h)の状態を表示すると、図8に破線で
示した出射側画素14の位置に縮小された画素が移動す
る。すなわち、サブフレームを数十Hzから数百Hzで
切換えることで、液晶セル上では見かけ上(b)(a)
(c)(d)(f)(e)(g)(h)と変則的に並ん
だ8つの画素となる。以下に本発明の光偏向素子を具体
化して作成した実施例について説明する。Next, when the electrodes to which the voltage shown in FIG. 6C is applied are changed over in accordance with the display timing of the second sub-frame, the refractive index distribution is changed over to the state II shown in FIG. Here, as the second subframe, (b)
When the states of (d), (f), and (h) are displayed, the reduced pixel moves to the position of the emission side pixel 14 shown by the broken line in FIG. That is, by switching the sub-frame from several tens of Hz to several hundreds of Hz, it is apparent on the liquid crystal cell (b) (a)
There are eight pixels arranged irregularly with (c), (d), (f), (e), (g), and (h). An example in which the light deflection element of the present invention is embodied and created will be described below.
【0055】(実施例1)液晶マイクロレンズセルは、
図2に示したクロムの櫛形電極アレイと対向電極として
ITOのベタ電極を用いた。クロムの電極幅は3μm、
ピッチは10μmで電極本数は1000本とした。配向
膜はAL3046−R31(JSR社製)をスピンコー
トで形成し、ローラーラビング装置で配向処理した。セ
ルギャップを調製するため、UV硬化接着剤に5μmの
真絲球を混合し、塗布ロボットにより電極アレイにかか
らないように塗布した。両透明基板をラビング方向が1
80度(液晶の配向がホモジニアスとなるように)とな
るように重ねて張り合わせ、UV硬化接着剤を硬化させ
た。Example 1 A liquid crystal microlens cell is
The chrome comb-shaped electrode array shown in FIG. 2 and a solid ITO electrode were used as the counter electrodes. The electrode width of chromium is 3 μm,
The pitch was 10 μm and the number of electrodes was 1000. As the alignment film, AL3046-R31 (manufactured by JSR Corporation) was formed by spin coating and subjected to alignment treatment by a roller rubbing device. In order to adjust the cell gap, a UV-curing adhesive was mixed with a 5 μm true sphere and applied by a coating robot so as not to cover the electrode array. Rubbing direction is 1 for both transparent substrates
The UV-curing adhesive was cured by stacking and laminating it so as to be 80 degrees (so that the orientation of the liquid crystal would be homogeneous).
【0056】液晶層として、液晶性骨格を部分構造とし
て有する光硬化高分子のプレポリマーをネマティック液
晶(メルク社、ZLI−2471)と混合し、毛細管法
によりセル中に注入した。上記液晶性骨格を部分構造と
して有する光硬化型高分子のプレポリマーとしては、図
4の(A),(D)及び(G)の混合物を用い、それぞ
れの割合をA:D:G=48:48:4とした。また、
光重合開始剤(IRG−651、チバガイギー社)を上
記重合性の混合液晶に対し1wt%の割合で混合した。
上記プレポリマーに対し、20mW/cm2の強度の紫
外線を1分間室温無電界で照射して高分子化した。プレ
ポリマーは0〜20%の間で変化させてそれぞれ評価し
た。As a liquid crystal layer, a prepolymer of a photocurable polymer having a liquid crystal skeleton as a partial structure was mixed with nematic liquid crystal (ZLI-2471, Merck & Co., Inc.) and injected into the cell by a capillary method. A mixture of (A), (D) and (G) of FIG. 4 was used as a prepolymer of the photocurable polymer having the liquid crystalline skeleton as a partial structure, and the respective ratios thereof were A: D: G = 48. : 48: 4. Also,
A photopolymerization initiator (IRG-651, manufactured by Ciba Geigy) was mixed at a ratio of 1 wt% with respect to the polymerizable mixed liquid crystal.
The prepolymer was irradiated with ultraviolet rays having an intensity of 20 mW / cm 2 for 1 minute at room temperature without electric field to be polymerized. The prepolymer was evaluated by changing it from 0 to 20%.
【0057】図9は、レーザ回折光によって液晶マイク
ロレンズの応答速度を測定するための測定装置の概略構
成を示す図で、図中、20は液晶マイクロレンズ、21
は集光レンズ、22は光ダイオード、23はオシロスコ
ープ、Lはレーザ光である。液晶マイクロレンズ20の
応答速度は、液晶マイクロレンズ20の櫛形電極(図
2)に633nmの波長のレーザ光Lを照射し、屈折率
の周期的な変調(レンズ効果)により現れる回折光を集
光レンズ21で集光し、その一部を光ダイオード22に
より受光し、電圧に変換してその電圧変化をオシロスコ
ープ23で観測することで応答速度を決定した。すなわ
ち、印加電圧をスイッチィングして光路を偏向させると
きに瞬間回折光強度が小さくなるため、回折光強度が1
00%からまた回復し90%まで変化する速度を応答速
度とした。FIG. 9 is a view showing the schematic arrangement of a measuring device for measuring the response speed of a liquid crystal microlens by laser diffracted light. In the drawing, 20 is a liquid crystal microlens, and 21 is a liquid crystal microlens.
Is a condenser lens, 22 is a photo diode, 23 is an oscilloscope, and L is laser light. The response speed of the liquid crystal microlens 20 is determined by irradiating the comb-shaped electrode (FIG. 2) of the liquid crystal microlens 20 with the laser light L having a wavelength of 633 nm to collect diffracted light that appears due to periodic modulation of the refractive index (lens effect). The response speed was determined by collecting the light with the lens 21, receiving a part of the light with the photodiode 22, converting it into a voltage, and observing the voltage change with the oscilloscope 23. That is, when the applied voltage is switched to deflect the optical path, the intensity of the instantaneous diffracted light becomes small, so that the intensity of the diffracted light is 1
The speed of recovery from 00% to change to 90% was defined as the response speed.
【0058】図10は、液晶層の材料における上記モノ
マーまたはプレポリマーの含有量を変えたときの応答速
度の電圧依存性を示す図である。モノマーまたはプレポ
リマーの含有量が5%までは応答速度は0%の時と変わ
らないが、上記含有量が10%以上でμ秒オーダーの応
答速度を示し、含有量15%で500μsec.を切
り、動画表示に十分耐えられる応答速度が得られてい
る。この結果により、上記本発明による光偏向素子が応
答速度の点で極めて有効であることが確認された。FIG. 10 is a diagram showing the voltage dependence of the response speed when the content of the monomer or prepolymer in the material of the liquid crystal layer is changed. When the content of the monomer or prepolymer is up to 5%, the response speed is the same as when the content is 0%. However, when the content is 10% or more, the response speed is on the order of μ seconds, and when the content is 15%, 500 μsec. The response speed is sufficiently high to withstand the display of moving images. From this result, it was confirmed that the light deflection element according to the present invention is extremely effective in terms of response speed.
【0059】(実施例2)実施例1において作成した液
晶マイクロレンズのセルを10〜50V/μmで駆動
し、顕微鏡で観察した。その結果を図11に示す。図1
1に示すように、30V/μmより大きな電界ではポリ
マー構造が乱れ、散乱が発生していることが分かった。
これにより、光偏向素子を駆動する電圧を30V/μm
以下に設定する光偏向素子動作方法が極めて有効である
ことが確認された。Example 2 The cell of the liquid crystal microlens prepared in Example 1 was driven at 10 to 50 V / μm and observed with a microscope. The result is shown in FIG. Figure 1
As shown in Fig. 1, it was found that in an electric field larger than 30 V / μm, the polymer structure was disturbed and scattering was generated.
As a result, the voltage for driving the light deflection element is 30 V / μm.
It was confirmed that the optical deflector operating method set below is extremely effective.
【0060】(実施例3)実施例1において、上記液晶
層の材料における光硬化型プレポリマーの含有量を15
%に固定し、光照射する際に、図2の櫛形電極A,Bに
対向基板に対して平行に2V/μmの電界をかけながら
高分子化した。実施例1に記載の方法で応答速度を測定
したところ、100μsec.(測定限界)以下の高速
応答を示し、電界を印加しない場合(350μse
c.)に比較してより高速化をはかることができた。こ
れによって、光硬化する際に、実使用時の電圧非印加状
態において定められる液晶配向方向であるところの、基
板と平行に電界をかけた状態で光硬化させる光偏向素子
作製方法が極めて有効であることが確認された。(Example 3) In Example 1, the content of the photocurable prepolymer in the material of the liquid crystal layer was set to 15
%, And when irradiated with light, a polymer was polymerized while applying an electric field of 2 V / μm to the comb electrodes A and B in FIG. 2 parallel to the counter substrate. When the response speed was measured by the method described in Example 1, it showed a high-speed response of 100 μsec. (Measurement limit) or less and no electric field was applied (350 μse).
Compared with c.), we were able to achieve higher speed. As a result, a photo-deflection element manufacturing method of photo-curing in a state where an electric field is applied in parallel with the substrate, which is a liquid crystal alignment direction determined in a voltage non-application state during actual use, is extremely effective when photo-curing. It was confirmed that there is.
【0061】(実施例4)図12は、本発明による画像
表示装置の一実施例を説明するための図で、図中、31
は光源、32は照明装置、33は画像表示素子、34は
光路偏向素子、35は投射レンズ、36はスクリーン、
37は光源駆動手段、38は表示駆動手段、39は光路
偏向駆動手段、40は画像表示制御回路である。光路偏
向素子34は後述の液晶マイクロレンズよりなり、該光
偏向素子34と、表示駆動手段38に同期して該光偏向
素子の電極アレイへの電圧印加状態を変化させる光路偏
向駆動手段39とにより光路偏向手段が構成される。(Embodiment 4) FIG. 12 is a view for explaining an embodiment of the image display device according to the present invention, in which 31
Is a light source, 32 is a lighting device, 33 is an image display element, 34 is an optical path deflecting element, 35 is a projection lens, 36 is a screen,
37 is a light source drive means, 38 is a display drive means, 39 is an optical path deflection drive means, and 40 is an image display control circuit. The optical path deflecting element 34 is composed of a liquid crystal microlens described later, and is composed of the optical deflecting element 34 and the optical path deflecting driving means 39 which changes the voltage application state to the electrode array of the optical deflecting element in synchronization with the display driving means 38. Optical path deflecting means is configured.
【0062】画像表示素子33としてはTFT液晶パネ
ルによる液晶ライトバルブを用いた。該液晶パネルにお
ける画素ピッチは縦横ともに約10μmである。また光
源31としてRGB三色のLED光源を用い、上記の一
枚の液晶パネルに照射する光の色を高速に切換えてカラ
ー表示を行う、フィールドシーケンシャル方式を採用し
た。画像表示のフレーム周波数が60Hz、1フレーム
内をさらに3色分に分割するため、各色に対応した画像
を180Hzで切換えた。液晶パネルの各色の画像表示
タイミングに合わせて、対応した色のLED光源をON
/OFFすることで、観察者にはフルカラー画像が見え
る。As the image display element 33, a liquid crystal light valve having a TFT liquid crystal panel was used. The pixel pitch in the liquid crystal panel is about 10 μm in both length and width. Further, a field sequential system is adopted in which an LED light source of RGB three colors is used as the light source 31 and color display is performed by rapidly switching the colors of the light radiated to the one liquid crystal panel. Since the frame frequency of image display is 60 Hz and one frame is further divided into three colors, the images corresponding to the respective colors are switched at 180 Hz. The LED light source of the corresponding color is turned on according to the image display timing of each color of the liquid crystal panel.
By turning on / off, the observer can see a full-color image.
【0063】実施例1で作成したプレポリマーの含有量
が20%の液晶マイクロレンズを光偏向素子34に用い
て、上記液晶ライトバルブによる画像表示素子33の直
後に設置し、画素位置と透明電極ラインの位置合わせを
調整し、カラー動画表示の観察実験を行った。画像表示
素子33のサブフィールド画像信号に同期して液晶セル
の電極ラインへの印加電圧の駆動周波数を切り換えて図
8に示すような画素の切り替えを行った。液晶マイクロ
レンズの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合わせ
て、出射面での拡散光を拡大観察したところ、横方向の
画素密度が2倍の高精細な動画像が得られた。The liquid crystal microlens containing 20% of the prepolymer prepared in Example 1 was used as the light deflection element 34 and was installed immediately after the image display element 33 by the liquid crystal light valve, and the pixel position and the transparent electrode were set. The alignment of the lines was adjusted, and an observation experiment of color moving image display was conducted. The driving frequency of the voltage applied to the electrode line of the liquid crystal cell was switched in synchronism with the subfield image signal of the image display element 33 to switch the pixel as shown in FIG. When a diffuser plate having a thin diffuser layer was fitted to the exit side of the liquid crystal microlens and the diffused light on the exit surface was observed under magnification, a high-definition moving image with a pixel density in the lateral direction doubled was obtained.
【0064】図12においては、光路を紙面の左右方向
(即ち、画面の水平方向)に偏向させる第1の液晶マク
ロレンズ34aが光路の上流側に配置され、紙面の上下
方向(即ち、画面の垂直方向)に偏向させる第2の液晶
マイクロレンズ34bが光路の下流側に配置されてお
り、更に、第1及び第2の液晶マイクロレンズ34a,
34bの間に、入射する直線偏光の偏光面を回転させる
偏光回転手段34cが配置されている。In FIG. 12, the first liquid crystal macro lens 34a for deflecting the optical path in the left-right direction of the paper surface (that is, the horizontal direction of the screen) is arranged on the upstream side of the optical path, and is in the vertical direction of the paper surface (that is, the screen A second liquid crystal microlens 34b for deflecting in the vertical direction) is arranged on the downstream side of the optical path, and further, the first and second liquid crystal microlenses 34a,
A polarization rotating means 34c for rotating the plane of polarization of the incident linearly polarized light is arranged between 34b.
【0065】なお、第1及び第2の液晶マクロレンズ3
4a,34bによる偏向方向は、二次元的に配列されて
いる画像表示素子33の画素配列の二方向のそれぞれに
一致するように配設される。即ち、一般的には、画像表
示素子33の画素配列の方向は、縦横二方向に互いに直
交させて配列されているので、図12に示すように、第
1及び第2の光路偏向手段34a,34cの作用方向即
ち光路偏向方向も互いに直交するように、それぞれの透
明電極アレイの方向や液晶層の配向処理の方向が設定さ
れることになる。The first and second liquid crystal macro lenses 3
The deflection directions of 4a and 34b are arranged so as to correspond to the two directions of the pixel arrangement of the image display elements 33 which are arranged two-dimensionally. That is, generally, the pixel arrangement directions of the image display element 33 are arranged so as to be orthogonal to each other in the vertical and horizontal directions, so that the first and second optical path deflecting means 34a, 34a, The directions of the respective transparent electrode arrays and the directions of the alignment treatment of the liquid crystal layer are set so that the acting directions of 34c, that is, the optical path deflection directions are also orthogonal to each other.
【0066】偏光面回転手段34cにおいて、第1の液
晶マイクロレンズ34aからの出射光の直線偏光方向
を、第2の液晶マイクロレンズ34bの光路偏向方向と
一致させるまで(本実施形態においては、90度)回転
させてから、第2の液晶マイクロレンズ34bに入射さ
せる。In the polarization plane rotating means 34c, until the linear polarization direction of the light emitted from the first liquid crystal microlens 34a coincides with the optical path deflection direction of the second liquid crystal microlens 34b (90 in this embodiment). After being rotated, it is incident on the second liquid crystal microlens 34b.
【0067】(実施例5)実施例1において、プレポリ
マーの含有量を20%に固定し、UV硬化接着剤内の5
μmの真絲球に変え、マイラーフィルム(帝人デュポン
フィルム製)を基板間の光を遮らない位置にはさむこと
でギャップ制御を行った。実施例1の方法で応答速度を
測定したところ、応答速度は液晶層の厚みの増加に従っ
て遅くなり、図13に示すとおり20μmよりも厚いも
のは500μsec.以上を要した。これにより、液晶
層の厚みが20μm以下の場合に極めて有用であること
が確認された。(Example 5) In Example 1, the content of the prepolymer was fixed to 20%, and the amount of 5 in the UV-curable adhesive was fixed.
The gap was controlled by changing to a μm spherical ball and sandwiching a Mylar film (made by Teijin DuPont Film) at a position where it did not block light between the substrates. When the response speed was measured by the method of Example 1, the response speed became slower as the thickness of the liquid crystal layer increased, and as shown in FIG. 13, those having a thickness greater than 20 μm required 500 μsec. Or more. From this, it was confirmed that it is extremely useful when the thickness of the liquid crystal layer is 20 μm or less.
【0068】(実施例6)2枚の透明基板に配向膜AL
3046−R31(JSR社製)をスピンコートで形成
し、ローラーラビング装置で配向処理した。セルギャッ
プを調製するため、UV硬化接着剤に5μmの真絲球を
混合し、塗布ロボットにより電極アレイにかからないよ
うに塗布した。両透明基板をラビング方向が180度
(液晶の配向がホモジニアスとなるように)となるよう
に重ね、該UV硬化接着剤を硬化させて張り合わせた。
液晶は光硬化高分子のプレポリマーをネマティック液晶
(メルク社、ZLI−2471)と混合して毛細管法に
よりセル中に注入した。(Example 6) An alignment film AL was formed on two transparent substrates.
3046-R31 (manufactured by JSR Corporation) was formed by spin coating, and subjected to orientation treatment by a roller rubbing device. In order to adjust the cell gap, a UV-curing adhesive was mixed with a 5 μm true sphere and applied by a coating robot so as not to cover the electrode array. Both transparent substrates were stacked so that the rubbing direction was 180 degrees (so that the liquid crystal orientation was homogeneous), and the UV curing adhesive was cured and laminated.
As the liquid crystal, a prepolymer of a photocurable polymer was mixed with a nematic liquid crystal (ZLI-2471, Merck & Co., Inc.) and injected into the cell by a capillary method.
【0069】サンプル1:プレポリマーとして液晶性骨
格を部分構造として有す光硬化型高分子のプレポリマー
(図4のA、D及びGの混合物で、それぞれの割合が
A:D:G=48:48:4)を用い、この中に、光重
合開始剤(IRG−651、チバガイギー社)を上記プ
レポリマーに対し1wt%混合した。そして20mW/
cm2の強度の紫外線を1分間室温無電界で照射してプ
レポリマーを高分子化した。このセルをサンプル1とす
る。Sample 1: A photo-curable polymer prepolymer having a liquid crystal skeleton as a partial structure as a prepolymer (a mixture of A, D and G in FIG. 4, each ratio of which is A: D: G = 48). : 48: 4), and a photopolymerization initiator (IRG-651, manufactured by Ciba-Geigy) was mixed therein in an amount of 1 wt% with respect to the prepolymer. And 20mW /
The prepolymer was polymerized by irradiating with ultraviolet light having an intensity of cm 2 for 1 minute at room temperature without electric field. This cell is referred to as Sample 1.
【0070】サンプル2:上記光硬化高分子のプレポリ
マーとして液晶骨格を持たない通常の光硬化型高分子で
あるOPM55(ADELL社製)を用い、このプレポ
リマーが液晶層材料の20%となるように混合し、上記
サンプル1と同様に高分子化した。得られたセルをサン
プル2とする。上記サンプル1と2の透過率を測定した
ところサンプル1は90%であったがサンプル2は60
%となり、光が散乱していることがわかった。これによ
り、重合硬化された高分子が液晶性骨格を部分構造とし
て有する光硬化型高分子であることが有効であることが
示された。Sample 2: OPM55 (manufactured by ADELL), which is a normal photocurable polymer having no liquid crystal skeleton, was used as the prepolymer of the photocurable polymer, and this prepolymer was 20% of the liquid crystal layer material. The mixture was mixed as above and polymerized in the same manner as in Sample 1. The obtained cell is referred to as Sample 2. When the transmittance of the above Samples 1 and 2 was measured, it was 90% in Sample 1, but 60 in Sample 2.
%, And it was found that the light was scattered. This shows that it is effective that the polymer which is polymerized and cured is a photocurable polymer having a liquid crystal skeleton as a partial structure.
【0071】[0071]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光偏向素子によれば、画像表示素子の見かけ上の画素
数を増倍して表示する画像表示装置において、光偏向素
子がマイクロ秒オーダーの高速スイッチィングが可能と
なることで、光利用効率低下を抑え高品質の画像表示を
可能とすることができる光偏向素子を提供することがで
きる。また、液晶層材料として、高分子骨格に液晶性骨
格を付加した高分子液晶を用いることにより、屈折率変
化を大きくして光偏向量を大きくすることができるとと
もに、応答速度を格段に高速化するができる。また、上
記の光偏向素子を用いることにより、光利用効率低下を
抑え高品質の画像表示を可能とする画像表示装置を提供
することができる。As is apparent from the above description, according to the light deflecting element of the present invention, in the image display device for displaying by multiplying the apparent number of pixels of the image display element, the light deflecting element is By enabling high-speed switching on the order of seconds, it is possible to provide an optical deflection element capable of suppressing deterioration of light utilization efficiency and enabling high-quality image display. Also, by using a polymer liquid crystal in which a liquid crystal skeleton is added to the polymer skeleton as the liquid crystal layer material, the refractive index change can be increased to increase the amount of light deflection and the response speed can be significantly increased. You can do it. Further, by using the above-mentioned light deflection element, it is possible to provide an image display device capable of suppressing deterioration of light utilization efficiency and displaying a high quality image.
【0072】さらに本発明によれば、上記の光偏向素子
を用いることにより、光利用効率が高く、より鮮明な画
像を得ることができるビデオカメラを提供できる。さら
に本発明によれば、上記の光偏向素子を用いることによ
り、無偏光の光を操作可能であって信頼性の高いスイッ
チングを行うことができるスイッチング装置を提供する
ことができる。Further, according to the present invention, by using the above-mentioned light deflection element, it is possible to provide a video camera having a high light utilization efficiency and capable of obtaining a clearer image. Further, according to the present invention, it is possible to provide a switching device which can operate unpolarized light and can perform highly reliable switching by using the above-mentioned light deflection element.
【図1】 本発明の光偏向素子の概略構成を説明するた
めの図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of an optical deflection element of the present invention.
【図2】 本発明の光偏向素子の電極として適用される
櫛型電極アレイの構成例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a comb-shaped electrode array applied as an electrode of the light deflection element of the present invention.
【図3】 本発明に適用可能な液晶層のモデルを模式的
に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing a model of a liquid crystal layer applicable to the present invention.
【図4】 本発明に適用可能な光硬化型高分子プレポリ
マーの例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a photo-curable polymer prepolymer applicable to the present invention.
【図5】 モノマーまたはプレポリマーの含有量とレン
ズ効果の評価結果を示す表である。FIG. 5 is a table showing the content of a monomer or a prepolymer and the evaluation result of the lens effect.
【図6】 液晶セルにおける液晶の配向状態を模式的に
示す図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing an alignment state of liquid crystals in a liquid crystal cell.
【図7】 図6に示す液晶セルにおける屈折率分布の切
り替えについて説明するための図である。7 is a diagram for explaining switching of the refractive index distribution in the liquid crystal cell shown in FIG.
【図8】 液晶ライトバルブの四つの画素から出射して
きた光が紙面下側から液晶セルに入射する状態を模式的
に説明するための図である。FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a state in which light emitted from four pixels of a liquid crystal light valve enters a liquid crystal cell from the lower side of the paper.
【図9】 レーザ回折光によって液晶マイクロレンズの
応答速度を測定するための測定装置の概略構成を示す図
である。FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a measuring device for measuring a response speed of a liquid crystal microlens by laser diffracted light.
【図10】 液晶層の材料における上記モノマーまたは
プレポリマーの含有量を変えたときの応答速度の電圧依
存性を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing voltage dependence of response speed when the content of the monomer or prepolymer in the material of the liquid crystal layer is changed.
【図11】 液晶マイクロレンズのセルを10〜50V
/μmで駆動したときの観察結果を示す表である。FIG. 11 shows a liquid crystal microlens cell of 10 to 50 V.
9 is a table showing observation results when driven at / μm.
【図12】 本発明による画像表示装置の一実施例を説
明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining an embodiment of the image display device according to the present invention.
【図13】 液晶層の厚みと応答速度の評価結果を示す
表である。FIG. 13 is a table showing evaluation results of liquid crystal layer thickness and response speed.
1…透明基板、2…液晶層、2L…液晶分子、3…電極
(櫛形電極アレイ)、4…配向膜、5…光路偏向駆動手
段、10…液晶セル、11…入射側画素、12…入射
光、13…出射光、14…出射側画素、20…液晶マイ
クロレンズ、21…集光レンズ、22…光ダイオード、
23…オシロスコープ、31…光源、32…照明装置、
33…画像表示素子、34…光路偏向素子、34a…第
1の液晶マクロレンズ、34b…第2の液晶マクロレン
ズ、34c…偏光回転手段、35…投射レンズ、36…
スクリーン、37…光源駆動手段、38…表示駆動手
段、39…光路偏向駆動手段、40…画像表示制御回
路、L…レーザ光、2L…液晶分子。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transparent substrate, 2 ... Liquid crystal layer, 2L ... Liquid crystal molecule, 3 ... Electrode (comb-shaped electrode array), 4 ... Alignment film, 5 ... Optical path deflection drive means, 10 ... Liquid crystal cell, 11 ... Incident side pixel, 12 ... Incident Light, 13 ... Emitted light, 14 ... Emission side pixel, 20 ... Liquid crystal microlens, 21 ... Condensing lens, 22 ... Photodiode,
23 ... Oscilloscope, 31 ... Light source, 32 ... Lighting device,
33 ... Image display element, 34 ... Optical path deflecting element, 34a ... First liquid crystal macro lens, 34b ... Second liquid crystal macro lens, 34c ... Polarization rotating means, 35 ... Projection lens, 36 ...
Screen, 37 ... Light source driving means, 38 ... Display driving means, 39 ... Optical path deflection driving means, 40 ... Image display control circuit, L ... Laser light, 2L ... Liquid crystal molecule.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505 2H092 1/133 505 1/133 505 2H093 570 570 1/1334 1/1334 1/1335 510 1/1335 510 1/1337 1/1337 G03B 21/00 G03B 21/00 E (72)発明者 松木 ゆみ 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 杉本 浩之 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 鴇田 才明 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 滝口 康之 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 Fターム(参考) 2H049 AA02 AA12 AA41 AA45 AA60 AA61 2H088 EA42 HA02 HA03 HA06 HA25 HA28 2H089 HA04 HA10 JA01 JA04 TA02 TA04 TA07 TA11 2H090 LA01 LA04 LA14 MA02 MA07 MB14 2H091 FA07X FA29X FD06 FD25 2H092 GA14 PA02 PA06 PA07 PA11 PA13 QA15 RA03 RA10 2H093 NA79 NC90 NE03 NE04 NE06 NF11 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505 2H092 1/133 505 1/133 505 2H093 570 570 1/1334 1 / 1334 1/1335 510 1/1335 510 1/1337 1/1337 G03B 21/00 G03B 21/00 E (72) Inventor Yumi Matsuki 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Within Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Hiroyuki Sugimoto 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Within Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Saeaki Tokita 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Within Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Takiguchi Yasuyuki F-term in Ricoh Co., Ltd. 1-3-3 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo (reference) 2H049 AA02 AA12 AA41 AA45 AA60 AA61 2H088 EA42 HA02 HA03 HA06 HA25 HA 28 2H089 HA04 HA10 JA01 JA04 TA02 TA04 TA07 TA11 2H090 LA01 LA04 LA14 MA02 MA07 MB14 2H091 FA07X FA29X FD06 FD25 2H092 GA14 PA02 PA06 PA07 PA11 PA13 QA15 RA03 RA10 2H093 NA79 NC90 NE03 NE04 NE06 NF11
Claims (21)
に封入される液晶分子と高分子を含む液晶層と、各基板
上に設けられた電極と、前記液晶層と前記基板の間に設
けられた配向膜と、前記電極に印加する電圧を制御する
電圧制御手段とを備え、少なくとも一方の基板に設けら
れた電極は、該電極のラインがアレイ上にそれぞれ間隔
をあけて形成されたアレイ状電極であり、前記電圧制御
手段は、前記アレイ状電極の隣り合う電極に印加する電
圧値を異なるように電圧を印加することを特徴とする液
晶素子。1. A pair of substrates arranged to face each other, a liquid crystal layer containing liquid crystal molecules and polymers enclosed between the substrates, electrodes provided on each substrate, and the liquid crystal layer and the substrate. An electrode provided on at least one of the substrates comprises an alignment film provided between them and a voltage control means for controlling the voltage applied to the electrodes, and the lines of the electrodes are formed on the array at intervals. The liquid crystal element is characterized in that the voltage control means applies different voltages to adjacent electrodes of the arrayed electrodes.
画像表示装置に適用されて用いられる光偏向素子であっ
て、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次
元的に配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明
する光源及び照明装置と、前記画像表示素子に表示した
画像パターンを観察するための光学装置と、画像フィー
ルドを時間的に分割した複数のサブフィールドで形成す
る表示駆動手段と、前記光路偏向素子を用いて各画素か
らの出射光の光路を偏向する光路偏向手段とを備えて前
記サブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置
がずれている状態の画像パターンを表示することで前記
画像表示素子のみかけ上の画素数を増倍して表示する画
像表示装置に適用される光偏向素子において、該光偏向
素子は、対向配置される二枚の基板と、少なくとも一方
の該基板上に画素ピッチに対応して形成した電極アレイ
と、該基板間に封入される高分子及び液晶を含む液晶層
とを有し、前記電極アレイによる前記液晶層への電界を
制御することにより入射光の光路偏向を行うことを特徴
とする光偏向素子。2. A function capable of deflecting an optical path of incident light,
An optical deflection element applied and used in an image display apparatus, comprising: an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are two-dimensionally arranged; a light source for illuminating the image display element; and an illumination device. An optical device for observing an image pattern displayed on the image display element, a display drive unit for forming an image field by a plurality of time-divided subfields, and an optical path deflecting element for each pixel. And an optical path deflecting means for deflecting the optical path of the emitted light, and displaying an image pattern in which the display position is displaced according to the deflection state of the optical path for each subfield, so that the image display element is apparently displayed. In a light deflection element applied to an image display device that multiplies and displays the number of pixels, the light deflection element includes two substrates arranged to face each other and pixels on at least one of the substrates. Of the incident light by controlling the electric field applied to the liquid crystal layer by the electrode array, which has an electrode array formed corresponding to the switch and a liquid crystal layer containing polymer and liquid crystal sealed between the substrates. An optical deflection element characterized by performing optical path deflection.
前記液晶層に含まれる高分子は、重合硬化剤によって重
合硬化された高分子であることを特徴とする光偏向素
子。3. The optical deflection element according to claim 2, wherein
The light deflection element, wherein the polymer contained in the liquid crystal layer is a polymer polymerized and cured by a polymerization curing agent.
前記重合硬化剤は、光硬化型であることを特徴とする光
偏向素子。4. The optical deflector according to claim 3,
The light deflection element, wherein the polymerization curing agent is a light curing type.
おいて、前記重合硬化された高分子は、液晶性骨格を部
分構造として有する光硬化型高分子であることを特徴と
する光偏向素子。5. The light deflection element according to claim 3, wherein the polymerized and cured polymer is a photocurable polymer having a liquid crystal skeleton as a partial structure. .
おいて、実使用時の電圧非印加状態において定められる
液晶配向方向に強制的に液晶を配向せしめるように電界
を印加した状態で、前記高分子を光硬化させて作成した
ことを特徴とする光偏向素子。6. The optical deflection element according to claim 4, wherein the electric field is applied so that the liquid crystal is forcibly aligned in a liquid crystal alignment direction determined in a voltage non-application state during actual use. An optical deflection element, which is made by photo-curing a polymer.
前記実使用時の電圧非印加状態において定められる液晶
配向方向は、前記基板に平行な方向であることを特徴と
する光偏向素子。7. The optical deflection element according to claim 6,
The optical deflector according to claim 1, wherein a liquid crystal alignment direction determined in a voltage non-application state during actual use is a direction parallel to the substrate.
光偏向素子において、前記高分子を得るために重合硬化
させるモノマーまたはプレポリマーの前記液晶層の構成
材料に対する混合比が、15wt%以上50wt%以下
の範囲であることを特徴とする光偏向素子。8. The light deflection element according to claim 3, wherein a mixing ratio of a monomer or a prepolymer to be polymerized and cured to obtain the polymer to a constituent material of the liquid crystal layer is 15 wt%. An optical deflection element characterized by being in a range of not less than 50 wt%.
光偏向素子において、前記液晶層の厚みは、20μm以
下であることを特徴とする光偏向素子。9. The optical deflection element according to claim 2, wherein the liquid crystal layer has a thickness of 20 μm or less.
の光偏向素子において、該光偏向素子は、前記液晶層の
液晶分子を駆動する駆動手段を有し、該駆動手段は、該
液晶分子の駆動電圧が30V/μm以下であることを特
徴とする光偏向素子。10. The light deflection element according to claim 2, wherein the light deflection element has a driving unit that drives liquid crystal molecules of the liquid crystal layer, and the driving unit includes the liquid crystal. An optical deflection element characterized in that a driving voltage of a molecule is 30 V / μm or less.
の画素が二次元的に配列した画像表示素子と、該画像表
示素子を照明する光源及び照明装置と、前記画像表示素
子に表示した画像パターンを観察するための光学装置
と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィ
ールドで形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光
の光路を偏向する光偏向素子を用いた光路偏向手段とを
有し、サブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示
位置がずれている状態の画像パターンを表示すること
で、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示す
る画像表示装置において、前記光路偏向手段は、請求項
1ないし10のいずれか1に記載の光偏向素子と、前記
表示駆動手段に同期して該光偏向素子が有する電極アレ
イへの電圧印加状態を変化させる光路偏向駆動手段とを
有することを特徴とする画像表示装置。11. An image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are two-dimensionally arranged, a light source and an illumination device for illuminating the image display element, and an image pattern displayed on the image display element. An optical device for observing an image field, a display driving means for forming an image field by a plurality of time-divided subfields, and an optical path deflecting means using an optical deflecting element for deflecting an optical path of light emitted from each pixel. And an image display device that displays an image pattern in which the display position is displaced according to the deflection state of the optical path for each subfield, thereby multiplying the apparent number of pixels of the image display element for display. The optical path deflecting means changes the voltage application state to the electrode array of the optical deflecting element according to any one of claims 1 to 10 in synchronization with the display driving means. An image display device, comprising:
いて、前記光路偏向手段は、前記画像表示素子画素の二
次元的な配列方向に対して、前記画素の第一の画素配列
方向に沿って、入射されてくる前記画像パターンの光路
の偏向、及び/または、該画像パターンの集光される焦
点位置の移動が可能な請求項1ないし10のいずれか1
に記載の第一の光偏向素子と、前記画素の第二の画素配
列方向に沿って、前記第一の光偏向素子を介して入射さ
れてくる前記画像パターンの光路の偏向、及び/また
は、該画像パターンの集光される焦点位置の移動が可能
な請求項1ないし10のいずれか1に記載の光偏向素子
とを有し、更には、直線偏光の偏光面の方向を、前記第
一の画素配列方向から前記第二の画素配列方向に回転さ
せることができる偏光面回転手段が、前記第一の光偏向
素子と第二の光偏向素子との間に配置されていることを
特徴とする画像表示装置。12. The image display device according to claim 11, wherein the optical path deflecting unit is arranged along a first pixel array direction of the pixels with respect to a two-dimensional array direction of the image display element pixels. 11. The optical path of the incident image pattern can be deflected, and / or the focus position where the image pattern is focused can be moved.
And a deflection of the optical path of the image pattern incident through the first light deflection element along the second pixel array direction of the pixel, and / or The optical deflector according to any one of claims 1 to 10, which is capable of moving a focus position where the image pattern is condensed, and further, a direction of a plane of polarization of linearly polarized light is set to the first direction. Polarization plane rotating means capable of rotating from the pixel arrangement direction to the second pixel arrangement direction is arranged between the first light deflection element and the second light deflection element. Image display device.
し、画像表示装置に適用されて用いられる光路偏向素子
の製造方法であって、画像情報に従って光を制御可能な
複数の画素が二次元的に配列した画像表示素子と、該画
像表示素子を照明する光源及び照明装置と、前記画像表
示素子に表示した画像パターンを観察するための光学装
置と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフ
ィールドで形成する表示駆動手段と、前記光路偏向素子
を用いて各画素からの出射光の光路を偏向する光路偏向
手段とを備えて前記サブフィールド毎の光路の偏向状態
に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表
示することで前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増
倍して表示する画像表示装置に適用される光偏向素子の
製造方法において、該光偏向素子は、対向配置される二
枚の基板を用意し、少なくとも一方の該基板上に画素ピ
ッチに対応して電極アレイを形成し、高分子と液晶とを
含む液晶層とを前記基板間に封入することにより製造す
ることを特徴とする光偏向素子の製造方法。13. A method of manufacturing an optical path deflecting element, which has a function of deflecting an optical path of incident light and is used by being applied to an image display device, comprising a plurality of pixels capable of controlling light according to image information. Image display elements arranged in a dimension, a light source and an illumination device for illuminating the image display element, an optical device for observing an image pattern displayed on the image display element, and a plurality of image fields temporally divided Display drive means formed in each subfield and optical path deflecting means for deflecting the optical path of the light emitted from each pixel by using the optical path deflecting element. In the method of manufacturing a light deflection element applied to an image display device, which displays an image pattern in a state of being shifted by multiplying the apparent number of pixels of the image display element for display. The light deflection element is prepared by preparing two substrates which are arranged to face each other, forming an electrode array corresponding to a pixel pitch on at least one of the substrates, and forming a liquid crystal layer containing a polymer and a liquid crystal between the substrates. A method for manufacturing an optical deflection element, which is characterized in that the optical deflection element is manufactured by encapsulating in
方法において、前記液晶層に含まれる高分子は、重合硬
化剤によって重合硬化した高分子とすることを特徴とす
る光偏向素子の製造方法。14. The method of manufacturing an optical deflecting element according to claim 13, wherein the polymer contained in the liquid crystal layer is a polymer polymerized and cured by a polymerization curing agent. Method.
方法において、前記重合硬化剤として、光硬化型の重合
硬化剤を用いることを特徴とする光偏向素子の製造方
法。15. The method of manufacturing an optical deflection element according to claim 14, wherein a photo-curing polymerization curing agent is used as the polymerization curing agent.
素子の製造方法において、前記高分子として、液晶性骨
格を部分構造として有する光硬化型高分子を用いること
を特徴とする光偏向素子の製造方法。16. The method of manufacturing a light deflecting element according to claim 14, wherein a photocurable polymer having a liquid crystal skeleton as a partial structure is used as the polymer. Production method.
素子の製造方法において、実使用時の電圧非印加状態に
おいて定められる液晶配向方向に強制的に液晶を配向せ
しめるように電界を印加した状態で、前記高分子を光硬
化させることを特徴とする光偏向素子の製造方法。17. The method for manufacturing an optical deflection element according to claim 15, wherein a state in which an electric field is applied so as to forcibly align the liquid crystal in a liquid crystal alignment direction determined in a voltage non-application state during actual use. 2. A method of manufacturing a light deflection element, wherein the polymer is photocured.
方法において、前記実使用時の電圧非印加状態において
定められる液晶配向方向は、前記基板に平行な方向であ
ることを特徴とする光偏向素子の製造方法。18. The method according to claim 17, wherein the liquid crystal alignment direction determined in the voltage non-application state during actual use is a direction parallel to the substrate. Deflection element manufacturing method.
記載の光偏向素子の製造方法において、前記高分子を得
るために重合硬化させるモノマーまたはプレポリマーの
前記液晶層の構成材料に対する混合比を、15wt%以
上50wt%以下の範囲とすることを特徴とする光偏向
素子の製造方法。19. The method of manufacturing an optical deflection element according to claim 14, wherein a mixing ratio of a monomer or a prepolymer to be polymerized and cured to obtain the polymer to a constituent material of the liquid crystal layer is set. And 15 wt% or more and 50 wt% or less.
記載の光偏向素子の製造方法において、前記液晶層の厚
みを、20μm以下とすることを特徴とする光偏向素子
の製造方法。20. The method of manufacturing an optical deflecting element according to claim 13, wherein the liquid crystal layer has a thickness of 20 μm or less.
載の光偏向素子の液晶分子を駆動するための光偏向素子
の駆動方法において、前記液晶層の液晶分子を駆動する
駆動手段における駆動電圧を30V/μm以下とするこ
とを特徴とする光偏向素子の駆動方法。21. A method of driving an optical deflecting element for driving liquid crystal molecules of an optical deflecting element according to any one of claims 2 to 10, wherein a driving voltage in driving means for driving the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer. Is 30 V / μm or less, a method of driving an optical deflecting element.
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