JP2003279947A - 光偏向素子、光路切替デバイスおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏光依存性がなく、高速に動作し、３つ以上
の方向に光を偏向させる。 【解決手段】 光偏向素子は、高分子マトリックス中に
液晶材料を分散保持した液晶／高分子複合体１０とその
表面に配された透明電極１３、１４とを有する。出射面
１２は、入射面１１に対して傾斜するように構成され、
入射光は、偏向角度θをもって出射する。透明電極１
３、１４による電圧の制御によって液晶／高分子複合体
１０の屈折率を変化させることにより、出射光の偏向角
度θが変化する。透明電極１４は、傾斜領域の傾斜方向
に分割した複数の電極として設けられ、各透明電極１４
に独立に電圧を印加する。これにより、液晶／高分子複
合体１０に印加する電界強度を精密に制御することが可
能となり、出射光の角度分散を小さくすることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気信号によって
光の方向を変える光偏向素子、光路切替デバイスおよび
該光偏向素子または光路切替デバイスを用いた画像表示
装置に関し、プロジェクションディスプレイ、ヘッドマ
ウントディスプレイなどの電子ディスプレイ装置に応用
可能な光路切替素子および光路切替デバイスおよびこれ
らを用いた画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気信号などの外部からの信号により光
の光路を偏向、すなわち入射光に対して出射光の光軸を
平行にシフトさせるか、ある角度をもって回転させる
か、あるいはその両者を組み合わせて光路を切り替える
ことが可能な光偏向素子として、従来、ＫＨ₂ＰＯ₄（Ｋ
ＤＰ），ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄（ＡＤＰ），ＬｉＮｂＯ₃，Ｌｉ
ＴａＯ₃，ＧａＡｓ，ＣｄＴｅなど１次の電気光学効果
（ポッケルス効果）の大きな材料や、ＫＴＮ，ＳｒＴｉ
Ｏ₃，ＣＳ₂，ニトロベンゼン等の２次の電気光学効果の
大きな材料を用いた電気光学デバイスや、ガラス，シリ
カ，ＴｅＯ₂などの材料を用いた音響光学デバイスが知
られている（例えば、青木昌治編；「オプトエレクトロ
ニックデバイス」、昭晃堂）。これらは、一般的に、十
分大きな光偏向量を得るためには光路長を長く取る必要
があり、また、材料が高価であるため用途が制限されて
いる。一方で、液晶材料を用いた光偏向素子なる光学素
子も各種提案されており、その数例を挙げると、以下に
示すような提案例がある。

【０００３】例えば、特開平６−１８９４０号公報によ
れば、光空間スイッチの光の損失を低減することを目的
に、人工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されて
いる。内容的には、２枚のくさび形の透明基板を互いに
逆向きに配置し、該透明基板間に液晶層を挟んだ光ビー
ムシフタ、及びマトリクス形偏向制御素子の後面に前記
光ビームシフタを接続した光ビームシフタが提案され、
併せて、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配
置し、該透明基板間にマトリクス駆動が可能で、入射光
ビームを半セルシフトする液晶層を挟んだ光ビームシフ
タを半セルずらして多段接続した光ビームシフタが提案
されている。しかし特開平６−１８９４０号公報例にお
いては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、
応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、
高速なスイッチングが必要な用途には用いることはでき
ない。

【０００４】また、特開平９−１３３９０４号公報によ
れば、大きな偏向を得ることが可能で、偏向効率が高
く、しかも、偏向角と偏向距離とを任意に設定すること
ができる光偏向スイッチが提案されている。具体的に
は、２枚の透明基板を所定の間隔で対向配置させ、対向
させた面に垂直配向処理を施し、透明基板間にスメクチ
ックＡ相の強誘電性液晶を封入し、前記透明基板に対し
て垂直配向させ、スメクチック層と平行に交流電界を印
加できるように電極対を配置し、電極対に交流電界を印
加する駆動装置を備えた液晶素子である。即ち、スメク
チックＡ相の強誘電性液晶による電傾効果を用い、液晶
分子の傾斜による複屈折によって、液晶層に入射する偏
光の屈折角と変位する方向を変化できるようにしたもの
である。しかし特開平９−１３３９０４号公報において
は、スメクチックＡ相の強誘電性液晶を用いているが、
スメクチックＡ相は自発分極を持たないため、高速動作
は望めない。

【０００５】次に、ピクセルシフト素子に関して従来提
案されている技術を数例挙げて説明する。ここでいうピ
クセルシフト素子とは、少なくとも画像情報にしたがっ
て光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像
表示素子と画像表示素子を照明する光源と、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部材
と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィ
ールドごとに画像表示素子と光学部材との間の光路を偏
向する光偏向手段とを有し、光偏向手段によりサブフィ
ールドごとの光路の偏向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させることで、画像表示素子
の見かけの画素数を倍増して表示する画像表示装置にお
ける光偏向手段を意味する。

【０００６】例えば、特許第２９３９８２６号公報に示
されるように、表示素子に表示された画像を投影光学系
により、スクリーン上に拡大投影する投影表示装置にお
いて、前記表示素子から前記スクリーンに至る光路の途
中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくと
も一つ以上と、複屈折効果を有する透明素子を少なくと
も一つ以上有してなる投影画像をシフトする手段と、前
記表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各
画素の投影領域が前記スクリーン上で離散的に投影され
る手段とを備えた投影表示装置がある。

【０００７】同公報の例では、偏光方向を旋回できる光
学素子（旋光素子と呼ぶ）を少なくとも一つ以上と複屈
折効果を有する透明素子（複屈折素子と呼ぶ）を少なく
とも一つ以上有してなる投影画像シフト手段（ピクセル
シフト手段）によりピクセルシフトを行っているが、問
題点として、旋光素子と複屈折素子とを組み合わせて使
用するため、光量損失が大きいこと、光の波長によりピ
クセルシフト量が変動し解像度が低下しやすいこと、旋
光素子と複屈折素子との光学特性のミスマッチから、本
来、画像が形成されないピクセルシフト外の位置に漏れ
光によるゴーストなどの光学ノイズが発生しやすいこ
と、素子化のためのコストが大きいことが挙げられる。
特に、複屈折素子に前述したようなＫＨ₂ＰＯ_４（ＤＫ
Ｐ）、ＮＨ _４Ｈ₂ＰＯ_４（ＡＤＰ）、ＬｉＮｂＯ_３、Ｌ
ｉＴａＯ_３、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅなど一次の電気光学効
果（ポッケルス効果）の大きな材料を使用した場合に顕
著である。

【０００８】また、特開平５−３１３１１６号公報に示
される投影機においては、制御回路により、画像蓄積回
路に蓄積した本来表示すべき画像を市松状に画像選択回
路へサンプリングして順次空間光変調器に表示し、投影
させ、さらに、制御回路により、この表示に対応させて
パネル揺動機構を制御して空間光変調器の隣接画素ピッ
チ距離を整数分の一ずつ移動させることで、本来表示す
べき画像を時間的な合成により再現するようにしてい
る。これにより、空間光変調器の画素の整数倍の分解能
で画像を表示可能にするとともに、画素の粗い空間光変
調器と簡単な光学系を用いて安価に投影機を構成可能と
している。

【０００９】ところが、同公報の例では、画像表示用素
子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動さ
せるピクセルシフト方式が記載されており、この方式で
は、光学系は固定されているので諸収差の発生が少ない
が、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる
必要があるため、可動部の制度や耐久性が要求され、振
動や音が問題となる。

【００１０】さらに、特開平６−３２４３２０号公報に
よれば、ＬＣＤなどの画像表示装置の画素数を増加させ
ることなく、表示画像の解像度を見かけ上向上させるた
め、縦方向および横方向に配列された複数個の画素のお
のおのが、表示画素パターンに応じて発光することによ
り画像が表示される画像表示装置と、観測者またはスク
リーンとの間に光路をフィールドごとに偏向する光学部
材を配し、また、フィールドごとに、前記光路の偏向に
応じて表示位置がずれている状態の表示画素パターンを
画像表示装置に表示させるようにしている。ここに、屈
折率が異なる部位が画像情報のフィールドごとに交互に
画像表示装置と観測者またはスクリーンとの間の光路中
に現れるようにすることで、前記光路の偏向が行われる
ものである。

【００１１】同公報の例では、光路を偏向する手段とし
て、電気光学素子と複屈折材料との組み合わせ機構、レ
ンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、
回転ガラスなどが記述されており、上記旋光素子と複屈
折素子を組み合わせてなる方式の他に、ボイスコイル、
圧電素子などによりレンズ、反射板、複屈折板などの光
学素子を変位（平行移動または傾斜）させて光路を切り
替える方式が提案されているが、この方式では、光学素
子を駆動するために構成が複雑となり、コストが高くな
る。

【００１２】また、特開平１０−１３３１３５号公報に
よれば、回転機械要素を不要化でき、全体の小型化、高
精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の
影響を受けにくい光ビーム偏向装置が提案されている。
具体的には光ビームの進行路上に配置される透光性の圧
電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極
と、圧電素子の光ビーム入射面Ａと光ビーム出射面Ｂと
の間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させる
ために電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加
手段とを備えている。

【００１３】同公報の例では、透光性の圧電素子を透明
の電極で挟み、電圧を印加することで厚みを変化させて
光路をシフトさせる方式が提案されているが、比較的大
きな透明圧電素子を必要とし装置コストがアップするな
ど、前述の特開平６−３２４３２０号公報の場合と同様
の問題点がある。

【００１４】本発明者らは、上記の従来技術では不充分
であった高速性を改善し、構成の簡素化と低コスト化を
目的に、先に透明な一対の基板と、これら基板間に充填
された液晶／高分子複合体と、一対の前記基板と前記液
晶／高分子複合体との間に形成された電極対による電界
印加手段とを備え、光の入射方向が基板面法線方向と異
なる方向に設定されている光偏向素子および、透明な一
対の基板と、これらの基板間に充填された液晶／高分子
複合体と、少なくとも一組以上の電界印加手段とを備
え、前記液晶／高分子複合体を挟む前記両基板面が光偏
向方向に対応して傾斜して対向する光偏向素子および、
光進行方向上に所定距離を隔てて上記の光偏向素子を二
組備える光路切替デバイスを提供した。

【００１５】上記本発明者らが提供した光偏向素子およ
び光路切替デバイスでは、液晶／高分子複合体を用いて
いるので上記従来技術と比べて高速なスイッチングが可
能であるが、電極間隔が非平行なため、液晶／高分子複
合体に印加される電界強度は均一ではなかった。そのた
め入射した光を角度分散なく偏向させるには、電界を印
加せず液晶分子がランダムな方向を向いている状態か、
充分強い電界を印加して液晶分子の配向が光の入射領域
全体にわたって飽和している状態の二つの状態で切り替
えることしかできなかった。すなわち、光の偏向方向と
しては２値しか取ることができなかった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点を
解決し、３つ以上の方向に光を偏向させる高速な光偏向
素子、光路切替デバイスおよび該光偏向素子または光路
切替デバイスを用いた画像表示装置を提供することを目
的とする。より具体的には、（１）偏光依存性がなく、
高速に動作し３つ以上の方向に光を偏向させる簡易な構
成の光偏向素子を提供すること（請求項１）、（２）光
偏向方向を精密に制御できる光偏向素子を提供すること
（請求項２）、（３）簡易な駆動回路で駆動することが
できる光偏向素子を提供すること（請求項３）、（４）
簡易な構造の光偏向素子を提供すること（請求項４）、
（５）上記に加え、さらに、高速で動作する光偏向素子
を提供すること（請求項５）、（６）光偏向角の大きな
光偏向素子を提供すること（請求項６）、（７）上記に
加えて大面積でも光路シフトが可能であり、低電圧で駆
動可能な光偏向素子を提供すること（請求項７）、
（８）安定性の高い光偏向素子を提供すること（請求項
８）、（９）光路を平行に偏向させる光路切替デバイス
を提供すること（請求項９）、（１０）低コストな光路
切替デバイスを提供すること（請求項１０）、（１１）
入射光の波長が変化しても一定の光路シフト量が得られ
る光路切替デバイスを提供すること（請求項１１）、
（１２）入射光の波長が変化しても一定の光路シフト量
が得られる光路切替デバイスを提供すること（請求項１
２）、（１３）光路を直交する二方向にシフトさせるこ
とができる光路切替装置を提供すること（請求項１
３）、（１４）画素数の少ない画像表示素子を用いて、
見かけ上高精細で光利用効率の高い画像表示装置を提供
すること（請求項１４）、をその目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、高分
子マトリクス中に液晶材料を分散保持した液晶／高分子
複合体と、該液晶／高分子複合体の屈折率を変化させる
ための電圧を印加する光透過性の電極とを有し、該液晶
／高分子複合体の屈折率の変化に応じて入射光に対する
出射光の偏向角度が変化する光偏向素子であって、前記
液晶／高分子複合体は、光路上で対向する二面におい
て、一方の面が他方の面に対して所定の角度で傾斜する
傾斜領域を有し、前記電極は、前記対向する二面の表面
に配されている光偏向素子において、前記液晶／高分子
複合体に概略均一な強度の電界を印加する手段を有する
ことを特徴としたものである。

【００１８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記液晶／高分子複合体に概略均一な強度の電界を
印加する手段として、前記傾斜領域における前記対向す
る二面の少なくとも一方の面に、傾斜方向に分割した複
数の透明電極を設け、前記各透明電極に独立に電圧を印
加することを特徴としたものである。

【００１９】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記液晶／高分子複合体に概略均一な強度の電界を
印加する手段として、前記傾斜領域における前記対向す
る二面の少なくとも一方の面に、傾斜方向に分割した複
数の透明電極を設け、該透明電極に対して共通に配され
た抵抗の高い透明電極によって個々の前記透明電極に電
圧を印加することを特徴としたものである。

【００２０】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記液晶／高分子複合体に概略均一な強度の電界を
印加する手段として、抵抗の高い透明電極を入射光が入
射する入射領域の全面に形成し、該抵抗の高い透明電極
の傾斜方向の両端部に電圧を印加することを特徴とした
ものである。

【００２１】請求項５の発明は、請求項１乃至４のいず
れか１の発明において、液晶が入射光の波長程度以下の
粒径を有するドロップレットであることを特徴としたも
のである。

【００２２】請求項６の発明は、請求項１乃至５のいず
れか１の発明において、電圧無印加時に全ての液晶分子
が概略一方向に配列していることを特徴としたものであ
る。

【００２３】請求項７の発明は、請求項１乃至６のいず
れか１の発明において、前記傾斜領域における対向する
二面のうちの一方は、断面が鋸歯形状の周期構造を有す
ることを特徴としたものである。

【００２４】請求項８の発明は、請求項１乃至７のいず
れか１の発明において、前記液晶／高分子複合体の前記
対向する二面の表面に保持基板を設けることを特徴とし
たものである。

【００２５】請求項９の発明は、請求項１乃至８のいず
れか１の発明において、二つ有する光路切替デバイスで
あって、第一の光偏向素子で偏向された光が、一定間隔
をおいて設置された第二の光偏向素子によって入射光と
平行になるように該第一の光偏向素子および該第二の光
偏向素子が配置されていることを特徴としたものであ
る。

【００２６】請求項１０の発明は、請求項９の発明にお
いて、前記光偏向素子を前記第一の光偏向素子と前記第
二の光偏向素子として請求項８に記載の前記第一の光偏
向素子の出射側保持基板と前記第二の光偏向素子の入射
側保持基板とが一枚の基板によって一体に構成されてい
ることを特徴としたものである。

【００２７】請求項１１の発明は、請求項９または１０
の発明において、入射光の波長に応じて前記第一の光偏
向素子と前記第二の光偏向素子に印加する電圧を制御す
る電圧制御機構を有することを特徴としたものである。

【００２８】請求項１２の発明は、請求項９または１１
の発明において、入射光の波長に応じて前記第一の光偏
向素子と前記第二の光偏向素子との間隔を変動させる変
動機構を有することを特徴としたものである。

【００２９】請求項１３の発明は、請求項９乃至１２の
いずれか１の発明において、２つ有する光路切替装置で
あって、第一の光路切替デバイスの前記傾斜領域の最大
傾斜方向と、第二の光路切替デバイスの前記傾斜領域の
最大傾斜方向とがおおむね直交するように配置されてな
ることを特徴としたものである。

【００３０】請求項１４の発明は、少なくとも、画像情
報にしたがって光を制御することが可能な複数の画素を
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部材と、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ごとに前記画像表
示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する請求項９乃
至１２のいずれか１に記載の光路切替デバイスまたは請
求項１３に記載の光路切替装置による光路切替手段とを
備えることを特徴としたものである。

【００３１】なお、本明細書において、平行でない所定
の角度で対応する二面のうち、いずれかまたは両方の面
内の領域を傾斜領域とし、上記所定の角度をもって二面
が傾斜する方向を傾斜方向として説明する。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、高分子マトリク
ス中に液晶材料を分散保持した液晶／高分子複合体の対
向する二面が所定の角度で対向するような傾斜領域を有
し、前記対向する二面の表面に光透過性の電極を設けて
なる光偏向素子において、液晶／高分子複合体に概略均
一な強度の電界を印加することを特徴とする光偏向素子
にある（請求項１）。

【００３３】光が液晶／高分子複合体の所定の角度（α
とする）で対向する二面のうちの一面（入射面と記す）
から入射して、対向する面（出射面と記す）から出射す
るとすると、この二面は所定の角度で対向しているの
で、入射光は液晶／高分子複合体の屈折率と空気の屈折
率および入射時の入射角で決まる角度だけ偏向する。い
ま、入射光が入射面に垂直に入射する場合を考えると、
次の式（１）の関係がある。 ｎ・ｓｉｎα＝ｓｉｎ（θ＋α）・・・（１）

【００３４】ここでｎは液晶／高分子複合体の屈折率、
θは入射光に対する出射光の偏向角である。式（１）か
らわかるように、液晶／高分子複合体の屈折率が変化す
ると偏向角θが変化する。後述するように、液晶／高分
子複合体は光路に対して垂直に電界を印加する場合には
入射光の偏光状態に依存せずに高速で屈折率を変えるこ
とができる。液晶／高分子複合体に概略均一な強度の電
界を印加することで、光の入射領域全体にわたって屈折
率が概略一定となるので出射光を角度の分散なく偏向さ
せることが可能となる。

【００３５】液晶／高分子複合体に概略均一な強度の電
界を印加する手段としては、傾斜領域の傾斜方向に分割
した複数の透明電極を設け、各透明電極に独立に電圧を
印加することが好ましい（請求項２）。傾斜領域の傾斜
方向に分割して設けた複数の透明電極に独立に電圧を印
加することで、液晶／高分子複合体に印加する電界強度
を精密に制御することが可能となり、出射光の角度分散
を小さくすることができる。

【００３６】また、液晶／高分子複合体に概略均一な強
度の電界を印加する手段として、傾斜領域の傾斜方向に
分割した複数の透明電極を設け、該透明電極に対して抵
抗の高い透明電極によって分割された電圧を印加するこ
とが好ましい（請求項３）。分割した透明電極には液晶
／高分子複合体の厚さに応じた電圧を印加しなければな
らないが、各透明電極へ印加する電圧の調整は高抵抗透
明電極による電圧降下によって自動的に行われる。した
がって、光偏向素子へは高抵抗透明電極の両端に印加す
る電圧を供給するだけでよく、簡易な駆動回路で光偏向
素子を駆動することができる。

【００３７】液晶／高分子複合体に概略均一な強度の電
界を印加する手段として、抵抗の高い透明電極を入射領
域全面に形成し、該透明電極の傾斜方向の両端部に電圧
を印加することが好ましい（請求項４）。透明電極とし
ては抵抗の高い透明電極を光入射領域全面に形成すれば
よいので簡易な構造で作製が容易となる。

【００３８】液晶／高分子複合体としては、例えば液晶
材料を高分子被膜で包含した微小なカプセルをバインダ
ー樹脂を用いて接合したものや、液晶材料と高分子材料
（あるいはその前駆体）の混合体から液晶材料を相分離
させた、いわゆる高分子分散液晶などがある。いずれに
してもその構造は液晶ドロップレットを高分子マトリク
ス中に分散したものとなり、その応答速度は液晶ドロッ
プレットの粒径を小さくするにつれて速くなることが実
験的にわかっており、特に入射光の波長程度以下の粒径
にすることが、散乱が減少し光透過率が高くなる、すな
わち光損失が著しく小さくなることから好ましい（請求
項５）。

【００３９】液晶は電圧無印加時に全ての液晶分子が概
略一方向に配列していることが好ましい。この方向を電
圧印加時に液晶分子が揃う方向（電界方向）とほぼ直交
させることにより大きな屈折率差が得られるため、偏向
角の変化量を大きくすることが可能となる（請求項
６）。

【００４０】前記の傾斜領域は、断面が鋸歯形状の周期
構造であることが望ましい。これにより、傾斜領域が大
きくなっても入射面と出射面との面間隔がほぼ一定とな
るので、大面積の光偏向素子を形成することが容易とな
る（請求項７）。

【００４１】さらに、光路となる前記液晶／高分子複合
体の対向する二面の表面に保持基板を設けることで液晶
／高分子複合体の保持性および表面の面精度が向上した
り、液晶／高分子複合体が保護されるため、高信頼性が
得られる（請求項８）。

【００４２】本発明の別の形態は、上記の光偏向素子を
二つ用いて、第一の光偏向素子で偏向された光が一定間
隔をおいて設置された第二の光偏向素子に入射し、第二
の光偏向素子を出射した光が元の入射光と平行になるよ
うに第一の光偏向素子と第二の光偏向素子が配置されて
いることを特徴とする光路切替デバイスである（請求項
９）。これによって、光路を平行に切り替えることが可
能となる。

【００４３】さらに、上記光路切替デバイスのうち、保
持基板を設けた光偏向素子を用いた光路切替デバイスに
おいて、第一の光偏向素子の出射側保持基板と第二の光
偏向素子の入射側保持基板とが一枚の基板で一体的に構
成されていることを特徴としている（請求項１０）。こ
れにより、低コストな光路切替デバイスを提供すること
ができる。

【００４４】また、別の形態は、上記光路切替デバイス
で、入射光の波長に応じて第一の光偏向素子と第二の光
偏向素子に印加する電圧を制御する電圧制御機構を有す
ることを特徴としている（請求項１１）。これにより、
入射光の波長が変化しても一定の光路シフト量が得られ
る光路切替デバイスを提供することができる。

【００４５】さらにべつの形態では、上記光路切替デバ
イスで、入射光の波長に応じて前記第一の光偏向素子と
前記第二の光偏向素子との間隔を変動させる変動機構を
有することを特徴としている（請求項１２）。これによ
り、入射光の波長が変化しても一定の光路シフト量が得
られる光路切替デバイスを提供することができる。

【００４６】本発明のさらに別の形態は、上記の光路切
替デバイスを二つ用いて、第一の光路切替デバイスの傾
斜領域の最大傾斜方向と、第二の光路切替デバイスの傾
斜領域の最大傾斜方向とがおおむね直交するように配置
されてなることを特徴とする光路切替装置である（請求
項１３）。これにより、直交する二方向に独立に光路を
切り替えることが可能となる。

【００４７】さらに、二次元の画像表示素子の画像を、
上記の光路切替デバイスまたは光路切替装置を用いて、
画像フィールドを時間分割した複数のサブフィールドご
とに光路切替を行うことで、画像表示素子の画素数以上
の画像を形成することが可能となる（請求項１４）。画
像表示素子は画素数が多くなると歩留まりその他の問題
などで、製作することが困難となってくる。しかし、本
発明を用いることで、比較的容易に画素数を増大するこ
とが可能となる。

【００４８】実施の形態１（請求項１、請求項２、請求
項５の発明） 図１は、本発明の第１の実施の形態を説明するための図
である。入射面１１および出射面１２が所定の角度αを
もって対向している液晶／高分子複合体１０の入射面１
１に光線１５を入射する。前述の式（１）に示したよう
に、光線１５は出射面１２で液晶／高分子複合体１０の
屈折率ｎとその周りの雰囲気（通常は空気）の屈折率お
よび入射面１１と出射面１２とのなす角αで決まる角度
θだけ、入射光に対して偏向される。液晶／高分子複合
体１０の屈折率が変化するとそれに応じて偏向角θが変
化する。液晶／高分子複合体１０の屈折率を変化させる
ために、入射面１１全面に透明電極１３、出射面１２の
傾斜方向に分割した複数の透明電極１４が設けられてい
る。なお、図では出射面側に分割した透明電極を設けて
いるが、出射面に全面ベタの透明電極、入射面に分割し
た透明電極を設けても構わない。

【００４９】本発明の液晶／高分子複合体１０は、液晶
材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子
複合体であり、より具体的には図２に示すように液晶ド
ロップレット１６をポリマー１７中に分散した高分子分
散液晶である。以下に高分子分散液晶についてさらに詳
しく述べる。

【００５０】液晶材料としてはネマティック液晶、スメ
クティック液晶、コレステリック液晶等を用いることが
でき、単一もしくは２種類以上の液晶性化合物や液晶性
化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。高分
子マトリクス材料としては透明なポリマーが好ましく、
熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂のいずれで
あってもよい。高分子分散液晶の製法としては、（１）
液晶と熱あるいは光硬化（重合）性モノマーやオリゴマ
ーもしくはプレポリマーで溶液を作り、重合によって相
分離させる重合相分離法、（２）液晶と高分子と溶剤で
溶液を作り、溶剤を蒸発させることによって相分離させ
る溶媒蒸発相分離法、（３）液晶と熱可塑性高分子を加
熱溶解させた後、冷却によって相分離させる熱相分離法
などを用いることができる。

【００５１】ポリマーとしては、製造工程の容易さ、液
晶相との分離性等の点から紫外線硬化型の樹脂を用いる
のが好ましい。具体的な例として紫外線硬化性アクリル
系樹脂が例示され、特に紫外線照射によって重合硬化す
るアクリルモノマー、アクリルオリゴマーを含有するも
のが好ましい。このようなモノマーまたはオリゴマーと
しては（ポリ）エステルアクリレート、（ポリ）ウレタ
ンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリブタジエ
ンアクリレート、シリコーンアクリレート、メラミンア
クリレート、（ポリ）ホスファゼンメタクリレート等が
ある。その他の例として、チオール−エン系も光硬化速
度が速いことから好適に使用できる。

【００５２】重合を速やかに行うために光重合開始剤を
用いてもよく、この例としてジクロロアセトフェノンや
トリクロロアセトフェノン等のアセトフェノン類、1-ヒ
ドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンゾフェノ
ン、ミヒラーケトン、ベンゾイル、ベンゾインアルキル
エーテル、ベンジルジメチルケタール、モノサルファイ
ド、チオキサントン類、アゾ化合物、ジアリルヨードニ
ウム塩、トリアリルスルフォニウム塩、ビス（トリクロ
ロメチル）トリアジン化合物等を挙げることができる。

【００５３】透明電極１３、１４には、金属の薄膜蒸着
膜やＩＴＯなど公知の材料を用いることができる。図２
（Ａ）に示すように、電界を印加していない場合には、
液晶／高分子複合体１０中の液晶ドロップレット１６
は、液晶分子のダイレクタがランダムな方向を向いてお
り、全体としては無配向の状態、すなわち屈折率は等方
的となっている。図２（Ｂ）に示すように電界１８を印
加すると、液晶ドロップレット１６中の液晶分子のダイ
レクタはほぼ一方向に配列する。図２では電界方向に配
列する液晶の例を示している。このとき屈折率は液晶ダ
イレクタの配向した方向には大きく、液晶ダイレクタと
垂直な方向には小さくなる。いま、電界１８と平行に光
路を取るとすると、光路に垂直な面内の屈折率は等方的
に小さくなる。

【００５４】以上のように、電界と平行な方向に光路を
取ると、液晶／高分子複合体１０に電界を印加すること
で、光の偏光に依存することなく屈折率を変化させるこ
とができる。液晶／高分子複合体１０の成形は、紫外線
透過性の型に充填して紫外線を照射することで、型の形
状を転写してもよいし、後加工で所望の形状に加工して
も構わない。

【００５５】高分子分散液晶における液晶ドロップレッ
トの大きさは、プレポリマーの組成、液晶の混合濃度、
硬化時の紫外線強度等を変えることによって変化させる
ことができる。図３は、液晶ドロップレットサイズと応
答速度との関係を示したものである。液晶材料として、
Ｅ７およびＢＬ２４（メルク社）、プレポリマーとし
て、ＮＯＡ６０，６５および８１（ノーランド社）を適
宜用いた。応答速度の測定は図４に示す装置を用いて、
試料２４にパルス電圧（２００Ｖ）を印加した時の光出
力の立ち上がり時間（Ｔｏｎ）と立ち下がり時間（Ｔｏ
ｆｆ）を測定した。ただし、図３には、液晶ドロップレ
ットのサイズの影響をより顕著に受ける立ち下がり時間
（電圧をオンからオフにしたときの時間）だけを示して
いる。なお、図４において、２１はレーザ、２２は偏光
子、２３、２４はレンズ、２５はＡｕ電極、２６は高分
子分散液晶層、２７はＳｉ基板、２８は試料、２９は検
光子、３０はパワーメータである。立ち上がり時間（電
圧をオフからオンにした時の時間）は主に電界強度に依
存し、本光偏向素子を駆動する電界強度では立ち上がり
時間は立ち下がり時間よりも速いため、立ち下がり時間
で本光偏向素子の応答特性を表すことができる。なお、
試料２８は高分子分散液晶層の厚さを２０μｍ、光路長
を１ｍｍとした。高分子分散液晶に電界が印加されてい
ない時と印加されている時の様子は前述したように図２
に示すとおりである。

【００５６】高分子分散液晶に電界が印加されていない
時には液晶ドロップレットの向きはランダムであるの
で、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の屈折率はどれも等しく、層
全体が光学的に等方な媒体になっている。ｚ軸方向に電
界を印加すると、液晶分子の分子軸がこの方向にそろう
ため、ｚ軸方向の屈折率は大きくなり、ｘ軸およびｙ軸
方向の屈折率はお互いに等しいまま、その大きさが小さ
くなる。図４のように光が電界方向とは垂直のｘ軸方向
から入射される場合、ｙｚ平面に複屈折が生じるために
偏光状態を変化させることができ、検光子を通した光出
力が変化する。本発明ではこのような複屈折現象は利用
しないが、電界印加時の液晶分子の挙動とそれに伴う屈
折率変化を利用するので、図３の応答速度は本発明にお
いても同様に適用できる。図３から液晶ドロップレット
サイズが小さくなるにつれて応答速度が速くなることが
わかる。

【００５７】さらには、液晶ドロップレットの粒径を入
射光の波長程度以下、より望ましくは１／２以下にする
ことが光透過率の観点から好ましい。以下にレイリー散
乱理論から光透過率を計算した結果を示す。体積Ｖの球
形散乱体が数密度Ｎで存在する場合、厚さＬの媒体の光
透過率Ｔは下記式（２）のように表される。 T=exp(-NRL)，R=24π³((m²-1)/(m²+2))²V²/λ⁴ …（２）

【００５８】ここで、Ｒは散乱断面積、ｍは散乱体の屈
折率と媒体の屈折率の比、λは使用する光の波長であ
る。ｍ＝１.０５、Ｌ＝３μｍとした時の透過率Ｔを散
乱体すなわち液晶ドロップレットの粒径ｄ、体積分率
（＝ＮＶ）および波長λをパラメータとして計算した。
式からわかるようにｄが大きくなる（すなわちＶが大き
くなる）ほど、またλが小さくなるほどＴが減少する。
また、透過率としては、８０％（Ｔ＝０.８）以上であ
ることが光利用効率の点から好ましい。図５はＴ＝０.
８となる粒径を体積分率が１０％（ｄ（０.１））、３
０％（ｄ（０.３））および５０％（ｄ（０.５））の場
合について、波長に対してプロットしたものである。体
積分率が小さいと屈折率変化量が小さく偏向角が小さく
なるので、体積分率は１０％以上が好ましく、３０〜５
０％程度がより好ましい。これ以上の体積分率では作製
が極めて困難になる。この観点から、図５より、光偏向
素子として適用される可視〜赤外領域の波長に対して
は、ｄが波長λ程度以下であるのが好ましく（ｄ（０.
１）の時）、λ／２以下であることがより好ましい（ｄ
（０.５）の時）ことがわかる。なお、この計算ではｍ
およびＬを固定したが、実デバイスにおいてはこれより
小さい値であると考えられるため、上記の粒径範囲であ
れば問題はない。

【００５９】具体的な例を示す。ネマティック液晶ＢＬ
２４（ｎｏ＝１.５１３，ｎｅ＝１.７１７，メルク社）
を紫外線硬化性プレポリマーＮＯＡ８１（ノーランド
社）に溶解（液晶重量濃度４５％）し、紫外線（４００
ｍＷ／ｃｍ²）を照射したもの（液晶ドロップレットの
平均粒径は約６０ｎｍ）を用いて、液晶／高分子複合体
の厚さは薄い部分で３μｍ、厚い部分で６μｍ、入射面
と出射面とのなす角が１°の光偏向素子を形成した。透
明電極は出射側の傾斜面に幅３０μｍ、間隔５μｍで５
本設けた。

【００６０】無偏光のレーザ光（Ｈｅ−Ｎｅレーザ：波
長０.６３２８μｍ）を入射したところ、電界を印加し
ていないときには、偏向角は０.５７°だった。また、
液晶／高分子複合体の厚さの厚い側の電極から順に９０
Ｖ、７９Ｖ、６８Ｖ、５６Ｖ、４５Ｖの電圧（電界強度
１５Ｖ／μｍ）を印加したときには偏向角が０.５４°
となった。さらに液晶／高分子複合体の厚さの厚い側の
電極から順に４２Ｖ、３７Ｖ、３２Ｖ、２６Ｖ、２１Ｖ
の電圧（電界強度７Ｖ／μｍ）を印加したときには偏向
角が０.５５５°となった。以上のように印加する電界
強度によって３方向に光を偏向することができた。ま
た、このとき光路偏向に要した時間は１０μｓのオーダ
ーであり、非常に高速に光路偏向を行うことができた。
さらに、偏光子を使って入射光を偏光とし、偏光方向を
様々な方向に変えて入射させても、無偏光光を入射させ
た場合と同様に光路偏向を行うことができた。なお、本
例では３方向の偏向制御を示したが、液晶／高分子複合
体に印加する電界強度を制御することで、４方向以上の
偏向制御も可能である。

【００６１】実施の形態２（請求項３の発明） 図６及び図７は、本発明の第２の実施の形態を説明する
ための図である。本実施の形態は、図６に示すように分
割して設けた透明電極１４の両端部に高抵抗の透明電極
３１を設け、高抵抗透明電極３１の両端部に電圧を印加
するように構成する。このような構成により、図７に示
すように、分割した透明電極１４に対して電圧降下に応
じた電圧が印加される。なお図６では分割して設けた透
明電極１４の両端に高抵抗透明電極３１を設けている
が、分割して設けた透明電極１４の片側の端部だけに高
抵抗透明電極３１を設けても構わない。

【００６２】具体例を示す。第一の実施の形態と同じ材
料および方法で、光偏向素子を作製した。液晶／高分子
複合体１０の厚さは薄い部分で３μｍ、厚い部分で６μ
ｍ、入射面１１と出射面１２とのなす角が１°の光偏向
素子を形成した。透明電極１４は出射側の傾斜面に幅３
０μｍ、間隔５μｍで５本設け、その両端部に高抵抗の
透明電極３１を設けた。抵抗値は厚さを薄くすることで
高抵抗化し、電圧印加端子（Ａ）３２と電圧印加端子
（Ｂ）３３の間の抵抗値が９ｋΩとなるようにした。

【００６３】無偏光のレーザ光（Ｈｅ−Ｎｅレーザ：波
長０.６３２８μｍ）を入射したところ、電界を印加し
ていないときには、偏向角は０.５７°だった。また、
液晶／高分子複合体１０の厚さの厚い側の電圧印加端子
（電圧印加端子（Ｂ）３３）に９０Ｖ、液晶／高分子複
合体１０の厚さの薄い側の電圧印加端子（電圧印加端子
（Ａ）３２）に４５Ｖの電圧を印加したときには液晶／
高分子複合体１０には１５Ｖ／μｍのほぼ均一な強度の
電界が印加され、偏向角が０.５４°となった。さらに
電圧印加端子（Ｂ）３３に４２Ｖ、電圧印加端子（Ａ）
３２に２１Ｖを印加したときには液晶／高分子複合体１
０には７Ｖ／μｍの強度の電界が印加され、偏向角が
０.５５５°となった。以上のように第一の実施の形態
の場合と同じように印加する電圧によって３つの方向に
光を偏向することができた。

【００６４】実施の形態３（請求項４の発明） 図８は、本発明の第３の実施の形態を説明するための図
である。本実施の形態は、出射側の傾斜面に高抵抗の透
明電極３４を形成し、液晶／高分子複合体１０の厚さの
厚い側と薄い側の端部に低抵抗の透明電極３５を形成す
る。低抵抗透明電極３５は高抵抗透明電極３４の傾斜面
に垂直な方向に均一に電圧を印加するために設けてあ
る。低抵抗の透明電極３５間に電圧を印加すると高抵抗
の透明電極３４には電圧勾配が発生する。印加する電圧
を調整することで、液晶／高分子複合体１０を挟んで対
向する透明電極１３との間に印加される電界を概略均一
にすることができる。

【００６５】具体例を示す。第１の実施の形態と同じ材
料および方法で、光偏向素子を作製した。液晶／高分子
複合体の厚さは薄い部分で３μｍ、厚い部分で６μｍ、
入射面と出射面とのなす角が１°の光偏向素子を形成し
た。高抵抗の透明電極３４は電圧印加端子間の抵抗値が
９ｋΩとなるようにした。

【００６６】無偏光のレーザ光（Ｈｅ−Ｎｅレーザ：波
長０.６３２８μｍ）を入射したところ、電界を印加し
ていないときには、偏向角は０.５７°だった。また、
液晶／高分子複合体１０の厚さの厚い側の電圧印加端子
（電圧印加端子（Ｂ）３３）に９０Ｖ、液晶／高分子複
合体１０の厚さの薄い側の電圧印加端子（電圧印加端子
（Ａ）３２）に４５Ｖの電圧を印加したときには液晶／
高分子複合体１０には１５Ｖ／μｍのほぼ均一な強度の
電界が印加され、偏向角が０.５４°となった。さらに
電圧印加端子（Ｂ）３３に４２Ｖ、電圧印加端子（Ａ）
３２に２１Ｖを印加したときには液晶／高分子複合体１
０には７Ｖ／μｍの強度の電界が印加され、偏向角が
０.５５５°となった。以上のように第一の実施の形態
の場合と同じように印加する電圧によって３つの方向に
光を偏向することができた。

【００６７】実施の形態４（請求項６の発明） 図９は、本発明の第４の実施の形態を説明するための図
である。本実施の形態は、液晶／高分子複合体１０中の
液晶ドロップレット１６に含まれる液晶分子が概略一方
向に配列している（図９（Ａ））。この配列方向は電界
印加時（図９（Ｂ））に液晶分子が揃う方向（電界方
向）とほぼ直交する方向にする。図９（Ａ）では光路に
垂直で紙面に平行な方向に配向させている（図のｚ方
向）。

【００６８】このとき液晶／高分子複合体１０の屈折率
は光路に垂直な方向に大きく、光路方向は小さい値とな
る。電界を印加すると（図９（Ａ））液晶分子は電界方
向（図のｘ方向）に配向する。このときの液晶／高分子
複合体１０の屈折率は光路方向に大きく、光路に垂直な
方向には小さくなる。したがって、入射光を直線偏光と
し、偏光方向を電圧を印加していないときの液晶分子の
配向方向（図のｚ方向）にすると、電界のオン・オフに
よる入射光に対する屈折率変化は実施の形態１の場合よ
りも大きな値となるので、偏向角θの変化量を大きくす
ることができる。

【００６９】具体的な例を示す。第一の実施の形態と同
じ材料および処方の高分子液晶を用いて、紫外線を照射
して重合するときに図のｚ方向に電界を印加することで
図９（Ａ）のように液晶ドロップレット１６内の液晶分
子を配向させた。電極の構成は第一の実施の形態と同じ
とした。ｚ方向に偏光したレーザ光（Ｈｅ−Ｎｅレー
ザ、波長０.６３２８μｍ）を入射したところ、電界を
印加していないときには偏向角は０.６１°であり、第
一の実施の形態と同様に電界強度１５Ｖ／μｍの電界を
印加したときには偏向角が０.５４°、電界強度７Ｖ／
μｍの電界を印加した時には０.５７５°となり、印加
する電界強度によって３つの方向に光を偏向することが
できた。

【００７０】実施の形態５（請求項７の発明） 図１０は、本発明の第５の実施の形態を説明するための
図で、光偏向素子の異なる構成例を各々図１０（Ａ），
図１０（Ｂ）に示すものである。入射面１１を基準とし
たとき、基準面と該基準面に対して傾斜して設けられる
傾斜面（ここでは出射面１２）とのなす角をα、基準面
と平行な方向における上記傾斜面の長さをＬ、傾斜面に
おける基準面からの距離の差の最大値を最大段差ｄとす
るとき、傾斜領域を形成する方法として図１０（Ａ）に
示したように一つの斜面で形成する場合には、最大段差
ｄはＬｔａｎαとなり、傾斜領域の長さＬが長くなると
最大段差ｄも大きくなってしまう。液晶／高分子複合体
１０に電界を印加する電極は液晶／高分子複合体１０の
表面に設けているため、最大段差ｄが大きくなると電界
強度が低くなり液晶／高分子複合体１０の屈折率変化量
が小さくなって屈折率変化量が不足する。あるいは充分
な屈折率変化を得るために非常に高い電圧を印加しなけ
ればならなくなる。また、電極間隔が場所によって変わ
るので、印加電界の強度が場所によって変わってしま
い、屈折率変化に分布が発生してしまう。そこでより低
電圧で均一に電界を印加するために図１０（Ｂ）に示す
ように断面が鋸歯形状の周期構造を設ける。これにより
大面積になっても最大段差を小さくすることができるの
で、低電圧で駆動することが可能となる。

【００７１】具体例を示す。実施の形態１と同様の材料
および方法で厚い部分が２μｍ、薄い部分が１μｍ、鋸
歯形状のピッチが５７μｍ、入射面１１と出射面１２の
なす角が１°の光偏向素子を形成した。電極の構成は実
施の形態２と同じにした。液晶／高分子複合体１０への
印加電界強度が０Ｖ／μｍ、７Ｖ／μｍ、１５Ｖ／μｍ
となるように電圧を印加したところ、実施の形態２と同
様に３方向への光の偏向を行うことができた。

【００７２】実施の形態６（請求項８の発明） 図１１は、本発明の第６の実施の形態を説明するための
図である。本実施の形態では、液晶／高分子複合体１０
の入射面１１および出射面１２の表面に保持基板４０を
設けている。これにより液晶／高分子複合体１０の保持
性が向上し、入射面１１および出射面１２の面精度が向
上して光線の方向性が安定する。また、液晶／高分子複
合体１０を保護することにもなるので、信頼性が向上す
る。

【００７３】具体例を示す。光学ガラスＢＫ７（屈折
率：ｎｄ＝１.５１７）の表面を深さ１μｍ、傾斜角１
°、ピッチ５７μｍの鋸歯形状にエッチングした。その
後、鋸歯形状の表面にＩＴＯを蒸着し、１μｍのスペー
サーで周辺部を保持して別のＩＴＯ付きＢＫ７の平板と
張り合わせた。透明電極１３、１４の構成は実施の形態
３と同じにした。内部にできた空間に実施の形態１と同
様の材料を注入し、実施の形態１の条件で紫外線を照射
して光偏向素子を形成した。実施の形態３と同様に液晶
／高分子複合体１０に印加される電界強度を０Ｖ／μ
ｍ、７Ｖ／μｍ、１５Ｖ／μｍとすることで３つの方向
へ光を偏向させることができた。また保持基板４０が設
けられているので、取り扱いが容易で、光路の偏向量の
信頼性も実施の形態３の場合に較べて良好であった。

【００７４】実施の形態７（請求項９の発明） 図１２は、本発明の第７の実施の形態を説明するための
図である。本実施の形態は、実施の形態６で示した光偏
向素子を二つ用意し、第一の光偏向素子５０に入射して
偏向された光が第二の光偏向素子５１を通ることで、第
一の偏向素子５０への入射光と平行に出射するように、
第二の光偏向素子５１を配置する。具体的には第二の光
偏向素子５１は、入射面が第一の光偏向素子５０とは逆
の面（例えば、第一の光偏向素子５０が平面側を入射面
に取った場合には、第二の光偏向素子５１は鋸歯形状側
を入射面とする）で、傾斜領域の傾斜方向が第一の光偏
向素子と同じ方向になるように設ける。二つの光偏向素
子５０、５１間の距離は、必要な光路シフト量が得られ
るように設定する。光路シフト量をΔ、第一の光偏向素
子５０の傾斜領域と第二の光偏向素子５１の傾斜領域と
の平均距離をＤ、第一の光偏向素子５０での偏向角をθ
₁およびθ₂とすると次の式のようになる。 Δ＝Ｄ（tanθ₂−tanθ₁）・・・（３）

【００７５】偏向角θ₁およびθ₂は式（１）によって液
晶／高分子複合体１０の屈折率と関係づけられているの
で、式（１）および式（３）によって必要な光路シフト
量から光偏向素子の間隔を決めることが可能となる。以
上のように構成した光路切替デバイスは第一の光偏向素
子５０と第二の光偏向素子５１の両方に同時に同じ電圧
を印加する。これによって第一の光偏向素子５０で偏向
された光が、第二の光偏向素子５１を通ることで入射光
と平行になり、平行な光路シフト素子を実現できる。具
体例を示す。実施の形態６の光偏向素子を図１２の配置
でＤ＝１９ｍｍとなるように設置した。二つの光偏向素
子に同時に０Ｖ／μｍ、７Ｖ／μｍ、１５Ｖ／μｍの電
界強度を印加することで、５μｍおよび１０μｍの光路
シフトが得られた。

【００７６】実施の形態８（請求項１０の発明） 図１３は、第８の実施の形態を説明するための図であ
る。本実施の形態の液晶／高分子複合体１０は実施の形
態７と同様に設けられているが、実施の形態７に示され
ている第一の光偏向素子と第二の光偏向素子との間に一
つの中間基板６０が一体的に設けられている。すなわち
第一の光偏向素子の出射側保持基板と第二の光偏向素子
の入射側保持基板とを一つの中間基板６０によって共有
するように構成してある。

【００７７】光路シフト量をΔ、中間基板６０の長さを
Ｄ’、第一の光偏向素子での偏向角をθ₁およびθ₂とす
ると次の式のようになる。 Δ＝Ｄ’（tanθ₂−tanθ₁）・・・（４） 偏向角θ₁およびθ₂は式（１）によって液晶／高分子複
合体１０の屈折率と関係づけられているので、式（１）
および式（４）によって必要な光路シフト量から中間基
板の厚さを決めることが可能となる。

【００７８】具体例を示す。厚さ２９ｍｍの光学ガラス
ＢＫ７（屈折率：ｎｄ＝１.５１７）の板の両面に図１
３に示す中間基板６０の形状（深さ１μｍ、傾斜角１
°、ピッチ５７μｍの鋸歯形状）にエッチングした。そ
の後、鋸歯形状の表面にＩＴＯを蒸着し、１μｍのスペ
ーサーで周辺部を保持して別のＩＴＯ付きＢＫ７の平板
を中間基板６０の両面に張り合わせた。透明電極１３、
１４の構成は実施の形態２と同じとした。内部にできた
空間に実施の形態１と同様の材料を注入し、実施の形態
１の条件で紫外線を照射して光路切替デバイスを形成し
た。二つの液晶／高分子複合体１０に同時に０Ｖ／μ
ｍ、７Ｖ／μｍ、１５Ｖ／μｍの電界を印加すること
で、５μｍおよび１０μｍの光路シフトが得られた。

【００７９】実施の形態９（請求項１１の発明） 図１４は、本発明の第９の実施の形態を説明するための
図である。本実施の形態は、入射光の波長に応じて電圧
を制御できる電圧制御機構６１を介して、実施の形態８
に示した光路切替デバイスに電圧を印加する。一般に液
晶／高分子複合体１０や保持基板４０及び中間基板６
０、空気などはその屈折率が光の波長によって異なるの
で、実施の形態８に示した構成では入射光の波長が変化
すると偏向角が変化し、そのため光路シフト量Δが波長
によって変わってしまうおそれがある。電圧制御機構６
１はこの波長による光路シフト量Δのずれを補正するよ
うに液晶／高分子複合体の屈折率を制御することで、常
に一定の光路シフト量が得られるようにする。なお、上
記のような電圧制御構成は、実施の形態７の構成にも適
用できるのは明らかである。

【００８０】実施の形態１０（請求項１２の発明） 図１５は、本発明の第１０の実施の形態を説明するため
の図である。本実施の形態は、実施の形態７に示した光
路切替デバイスで、第一の光偏向素子５０に、第一の光
偏向素子５０と第二の光偏向素子５１との間隔Ｄを変動
させるための変動機構５２を設けている。この変動機構
５２は、入射光１５の波長に応じて第一の光偏向素子５
０と第二の光偏向素子５１との間隔Ｄを変化させる。変
動機構５２は、波長による光路シフト量Δのずれを補償
するように光偏向素子間隔Ｄを変動させることで、常に
一定の光路シフト量が得られるようにする。変動機構５
２としては、静電気力による方式、磁気による方式、電
歪や磁歪による方式など様々な既存の方法を挙げること
ができる。

【００８１】実施の形態１１（請求項１３の発明） 図１６は、本発明の第１１の実施の形態を説明するため
の図である。本実施の形態は、上述の光路切替デバイス
を二つ用意し、第一の光路切替デバイス７０の傾斜領域
の最大傾斜方向と、第二の光路切替デバイス７１の傾斜
領域の最大傾斜方向とがおおむね直交するように配置す
る。入射光１５は、第一の光路切替デバイス７０によっ
て、縦方向の光路シフトを受け、第二の光路切替デバイ
ス７１によって、横方向の光路シフトを受ける。これに
よってＸ、Ｙ両方向の光路シフトを実現できる。

【００８２】具体例を示す。実施の形態８の光路切替デ
バイスを二つ、図１６に示すように配置し、図１７に示
すシーケンスで各光路切替デバイス７０、７１に電圧を
印加する。このとき、図中のＡ〜Ｉのタイミングでは図
１８に示すような光路シフトが行われ、二次元の光路シ
フトが実現できた。

【００８３】実施の形態１２（請求項１４の発明） 図１９は、本発明の第１２の実施の形態を説明するため
の図で、画像表示装置８０の構成を概略的に示すもので
ある。図１９において、８１はＬＥＤランプを２次元ア
レイ状に配列した光源であり、この光源８１からスクリ
ーン８２に向けて発せられる光の進行方向には拡散板８
３、コンデンサレンズ８４、画像表示素子としての透過
型液晶パネル８５、画像パターンを観察するための光学
部材としての投射レンズ８６が順に配設されている。８
７は光源８１に対する光源ドライブ部、８８は透過型液
晶パネル８５に対する液晶パネルドライブ部である。

【００８４】ここに、透過型液晶パネル８５と投射レン
ズ８６との間の光路上にはピクセルシフト素子として機
能する光路切替手段８９が介在されており、ドライブ部
９０に接続されている。このような光路切替手段８９と
しては、前述の実施の形態で例示したような光路切替デ
バイスもしくは光路切替装置が用いられる。

【００８５】光源ドライブ部８７で制御されて光源８１
から放出された照明光は、拡散板８３により均一化され
た照明光となり、コンデンサレンズ８４により液晶パネ
ルドライブ部８８で照明光源と同期して制御されて透過
型液晶パネル８５をクリティカル照明する。この透過型
液晶パネル８５で空間光変調された照明光は、画像光と
して光路切替手段８９に入射し、この光路切替手段８９
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。この光は投射レンズ８６で拡大されスクリー
ン８２上に投射される。

【００８６】ここに、光路切替手段８９により画像フィ
ールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎の光
路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パタ
ーンを表示させることで、透過型液晶パネル８５の見掛
け上の画素数を増倍して表示する。このように光路切替
手段８９によるシフト量は透過型液晶パネル８５の画素
の配列方向に対して３倍の画像増倍を行うことから、画
素ピッチの１／３に設定される。光路シフト量に応じて
透過型液晶パネル８５を駆動する画像信号をシフト量分
だけ補正することで、見掛け上高精細な画像を表示する
ことができる。この際、光路切替手段８９として、前述
した各実施の形態のような光路切替デバイスまたは光路
切替装置を用いているので、光の利用効率を向上させ、
光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品
質の画像を提供できる。また、本発明の光路切替手段は
入射光として無偏光光を用いることができるため、画像
表示素子として上述の透過型液晶パネルに限らず、光散
乱型液晶パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバ
イス）など、あらゆる画像表示素子をそのまま利用する
ことが可能となる。

【００８７】

【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、高分子マトリクス中に液晶材料
を分散保持した液晶／高分子複合体の対向する二面が所
定の角度で対向するような傾斜領域を有し、対向する二
面の表面に光透過性の電極を設けてなる光偏向素子にお
いて、液晶／高分子複合体に概略均一な強度の電界を印
加することにより、偏光依存性がなく、高速に動作し３
つ以上の方向に光を偏向させる簡易な構成の光偏向素子
を提供することができる。また、液晶／高分子複合体に
概略均一な強度の電界を印加する手段として、傾斜領域
の傾斜方向に分割した複数の透明電極を設け、各透明電
極に独立に電圧を印加することにより、光偏向方向を精
密に制御できる光偏向素子を提供することができる。

【００８８】また、液晶／高分子複合体に概略均一な強
度の電界を印加する手段として、傾斜領域の傾斜方向に
分割した複数の透明電極を設け、該透明電極に抵抗の高
い透明電極によって分割された電圧を印加することによ
り、簡易な駆動回路で駆動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／高分子複合体に
概略均一な強度の電界を印加する手段として、抵抗の高
い透明電極を入射領域全面に形成し、該透明電極の傾斜
方向の両端部に電圧を印加することにより、簡易な構造
の光偏向素子を提供することができる。さらに、液晶が
入射光の波長程度以下の粒径を有するドロップレットと
することにより、上記に加えて、さらに、高速で動作す
る光偏向素子を提供することができる。

【００８９】また、電圧無印加時に全ての液晶分子が概
略一方向に配列しているようにすることにより、上記に
加え偏向角の変化量が大きな光偏向素子を提供すること
ができる。また、傾斜領域の断面を鋸歯形状の周期構造
とすることにより、上記に加えて大面積でも光路シフト
が可能であり、低電圧で駆動可能な光偏向素子を提供す
ることができる。また、液晶／高分子複合体の対向する
二面の表面に保持基板を設けることにより、安定性の高
い光偏向素子を提供することができる。

【００９０】また、上記光偏向素子を二つ有し、第一の
光偏向素子で偏向された光が、一定間隔をおいて設置さ
れた第二の光偏向素子によって入射光と平行になるよう
に第一の光偏向素子および第二の光偏向素子を配置する
ことにより、光路を平行にシフトさせる光路切替デバイ
スを提供することができる。また、保持基板を設けた光
偏向素子を第一の光偏向素子と第二の光偏向素子として
用いる上記光路切替デバイスにおいて、第一の光偏向素
子の出射側保持基板と第二の光偏向素子の入射側保持基
板とを一枚の基板で一体的に構成することにより、低コ
ストな光路切替デバイスを提供することができる。

【００９１】また、入射光の波長に応じて第一の光偏向
素子と第二の光偏向素子に印加する電圧を変化させる電
圧制御機構を有することにより、入射光の波長が変化し
ても一定の光路シフト量が得られる光路切替デバイスを
提供することができる。また、入射光の波長に応じて前
記第一の光偏向素子と前記第二の光偏向素子との間隔を
変動させる変動機構を有することにより、入射光の波長
が変化しても一定の光路シフト量が得られる光路切替デ
バイスを提供することができる。

【００９２】また、上記光路切替デバイスを２つ有し、
第一の光路切替デバイスの傾斜領域の最大傾斜方向と、
第二の光路切替デバイスの傾斜領域の最大傾斜方向とが
おおむね直交するように配置することにより、光路を直
交する二方向にシフトさせることができる光路切替装置
を提供することができる。

【００９３】また、少なくとも、画像情報にしたがって
光を制御することが可能な複数の画素を二次元的に配列
した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源
と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察す
るための光学部材と、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ごとに前記画像表示素子と前記
光学部材の間の光路を偏向する上記光路切替デバイスま
たは光路切替装置による光路切替手段とを備えることに
より、画素数の少ない画像表示素子を用いて、見かけ上
高精細で光利用効率の高い画像表示装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態を説明するための
図である。

【図２】 電界方向に配列する液晶の例を示す図であ
る。

【図３】 液晶ドロップレットサイズと応答速度との関
係を示す図である。

【図４】 応答速度の測定を示す図である。

【図５】 Ｔ＝０.８となる粒径を体積分率が１０％、
３０％および５０％の場合について、波長に対してプロ
ットを示す図である。

【図６】 本発明の第２の実施の形態を説明するための
図である。

【図７】 本発明の第２の実施の形態を説明するための
他の図である。

【図８】 本発明の第３の実施の形態を説明するための
図である。

【図９】 本発明の第４の実施の形態を説明するための
図である。

【図１０】 本発明の第５の実施の形態を説明するため
の図である。

【図１１】 本発明の第６の実施の形態を説明するため
の図である。

【図１２】 本発明の第７の実施の形態を説明するため
の図である。

【図１３】 本発明の第８の実施の形態を説明するため
の図である。

【図１４】 本発明の第９の実施の形態を説明するため
の図である。

【図１５】 本発明の第１０の実施の形態を説明するた
めの図である。

【図１６】 本発明の第１１の実施の形態を説明するた
めの図である。

【図１７】 光路切替デバイスに印加する電圧のシーケ
ンスの例を示す図である。

【図１８】 図１７のシーケンスに対応する光路シフト
について説明するための図である。

【図１９】 本発明の第１２の実施の形態を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１０…液晶／高分子複合体、１１…入射面、１２…出射
面、１３，１４…透明電極、１５…光線、１６…液晶ド
ロップレット、１７…ポリマー、１８…電界、２１…レ
ーザ、２２…偏光子、２３，２４…レンズ、２５…Ａｕ
電極、２６…高分子分散液晶層、２７…Ｓｉ基板、２８
…試料、２９…検光子、３０…パワーメータ、３１…高
抵抗透明電極、３２…電圧印加端子（Ａ）、３３…電圧
印加端子（Ｂ）、３４，３５…透明電極、４０…保持基
板、５０…第一の光偏向素子、５１…第二の光偏向素
子、５２…変動機構、６０…中間基板、６１…電圧制御
機構、７０…第一の光路切替デバイス、７１…第二の光
路切替デバイス、８０…画像表示装置、８１…光源、８
２…スクリーン、８３…拡散板、８４…コンデンサレン
ズ、８５…透過型液晶パネル、８６…投射レンズ、８７
…光源ドライブ部、８８…液晶パネルドライブ部、８９
…光路切替手段、９０…ドライブ部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H088 EA45 EA47 GA10 JA04 MA06 MA10 MA11 MA16 MA18 2H089 HA04 JA04 KA08 KA15 QA05 QA11 QA12 QA14 QA15 RA04 UA05

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子マトリクス中に液晶材料を分散保
   持した液晶／高分子複合体と、該液晶／高分子複合体の
   屈折率を変化させるための電圧を印加する光透過性の電
   極とを有し、該液晶／高分子複合体の屈折率の変化に応
   じて入射光に対する出射光の偏向角度が変化する光偏向
   素子であって、前記液晶／高分子複合体は、光路上で対
   向する二面において、一方の面が他方の面に対して所定
   の角度で傾斜する傾斜領域を有し、前記電極は、前記対
   向する二面の表面に配されている光偏向素子において、
   前記液晶／高分子複合体に概略均一な強度の電界を印加
   する手段を有することを特徴とする光偏向素子。
2. 【請求項２】 前記液晶／高分子複合体に概略均一な強
   度の電界を印加する手段として、前記傾斜領域における
   前記対向する二面の少なくとも一方の面に、傾斜方向に
   分割した複数の透明電極を設け、各前記透明電極に独立
   に電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の光
   偏向素子。
3. 【請求項３】 前記液晶／高分子複合体に概略均一な強
   度の電界を印加する手段として、前記傾斜領域における
   前記対向する二面の少なくとも一方の面に、傾斜方向に
   分割した複数の透明電極を設け、該透明電極に対して共
   通に配された抵抗の高い透明電極によって個々の前記透
   明電極に電圧を印加することを特徴とする請求項１に記
   載の光偏向素子。
4. 【請求項４】 前記液晶／高分子複合体に概略均一な強
   度の電界を印加する手段として、抵抗の高い透明電極を
   入射光が入射する入射領域の全面に形成し、該抵抗の高
   い透明電極の傾斜方向の両端部に電圧を印加することを
   特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
5. 【請求項５】 液晶が入射光の波長程度以下の粒径を有
   するドロップレットであることを特徴とする請求項１乃
   至４のいずれか１に記載の光偏向素子。
6. 【請求項６】 電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一
   方向に配列していることを特徴とする請求項１乃至５の
   いずれか１に記載の光偏向素子。
7. 【請求項７】 前記傾斜領域における対向する二面のう
   ちの一方は、断面が鋸歯形状の周期構造を有することを
   特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の光偏向
   素子。
8. 【請求項８】 前記液晶／高分子複合体の前記対向する
   二面の表面に保持基板を設けることを特徴とする請求項
   １乃至７のいずれか１に記載の光偏向素子。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれか１に記載の光
   偏向素子を二つ有する光路切替デバイスであって、第一
   の光偏向素子で偏向された光が、一定間隔をおいて設置
   された第二の光偏向素子によって入射光と平行になるよ
   うに該第一の光偏向素子および該第二の光偏向素子が配
   置されていることを特徴とする光路切替デバイス。
10. 【請求項１０】 前記光偏向素子を前記第一の光偏向素
    子と前記第二の光偏向素子として請求項８に記載の光偏
    向素子を用い、前記第一の光偏向素子の出射側保持基板
    と前記第二の光偏向素子の入射側保持基板とが一枚の基
    板によって一体に構成されていることを特徴とする請求
    項９に記載の光路切替デバイス。
11. 【請求項１１】 入射光の波長に応じて前記第一の光偏
    向素子と前記第二の光偏向素子に印加する電圧を制御す
    る電圧制御機構を有することを特徴とする請求項９また
    は１０に記載の光路切替デバイス。
12. 【請求項１２】 入射光の波長に応じて前記第一の光偏
    向素子と前記第二の光偏向素子との間隔を変動させる変
    動機構を有することを特徴とする請求項９または１１に
    記載の光路切替デバイス。
13. 【請求項１３】 請求項９乃至１２のいずれか１に記載
    の光路切替デバイスを２つ有する光路切替装置であっ
    て、第一の光路切替デバイスの前記傾斜領域の最大傾斜
    方向と、第二の光路切替デバイスの前記傾斜領域の最大
    傾斜方向とがおおむね直交するように配置されてなるこ
    とを特徴とする光路切替装置。
14. 【請求項１４】 少なくとも、画像情報にしたがって光
    を制御することが可能な複数の画素を二次元的に配列し
    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
    めの光学部材と、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ごとに前記画像表示素子と前記光学
    部材の間の光路を偏向する請求項９乃至請求項１２のい
    ずれか１に記載の光路切替デバイスまたは請求項１３に
    記載の光路切替装置による光路切替手段とを備えること
    を特徴とする画像表示装置。