JP2006243560A - 液晶光変調素子の駆動方法および駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス幅変調方式により液晶光変調素子をスタティック駆動するにあたって、波形応答現象を軽減すること。液晶の特性の変化が急峻な箇所における分解能を高くすること。
【解決手段】液晶変調素子の対向する電極間に封止された液晶に、変調データに基づいてパルス幅変調された駆動信号による交番電界を印加して、前記液晶をスタティック駆動するにあたって、液晶に印加される交番電界が一方の極性である第１の期間Ｔ１では、第１のオン電圧ＶＤおよび第１のオフ電圧ＶＡ（ただし、ＶＤ＞ＶＡ、ＶＡはゼロでない）の２値レベルでパルス幅変調を行い、液晶に印加される交番電界が他方の極性である第２の期間Ｔ２では、第２のオン電圧−ＶＤおよび第２のオフ電圧−ＶＡの２値レベルでパルス幅変調を行う。
【選択図】 図８

Description

この発明は、液晶光変調素子の駆動方法および駆動装置に関する。

近年、液晶を用いた光変調素子（以下、液晶光変調素子とする）が脚光を浴びている。液晶光変調素子は、光減衰器（ＶＯＡ：バリアブル・オプティカル・アッテネータ）などの用途として有望な素子である。液晶光変調素子の駆動方法は、液晶を表示パネルに用いた液晶表示装置の駆動方法を踏襲している。液晶表示装置の駆動方法は、画素の構成の違いにより、スタティック駆動方式とマトリクス駆動方式に分類される。

図１に示すように、スタティック駆動方式では、コモン信号１とセグメント信号２により個々の画素３に電圧が印加される。図２に示すように、マトリクス駆動方式では、複数の画素４がパルス信号５により時分割駆動される。マトリクス駆動方式は、面表示を行う液晶表示装置に適した方式であるが、光減衰器を含む液晶光変調素子の分野では、種々の制約により、殆ど用いられない。

また、駆動回路を簡素な構成とするためには、液晶に印加する駆動信号をパルス制御にする必要がある。液晶の駆動に適用可能なパルス制御方式には、パルス高変調（ＰＨＭ）方式とパルス幅変調（ＰＷＭ）方式がある。液晶光変調素子の構造と要求される性能を考慮すると、液晶光変調素子には、パルス幅変調方式によるスタティック駆動が適している。パルス幅変調方式には、ディジタル制御が容易であるという利点と、パルス高変調方式よりも回路規模および消費電力の面で優れるという利点がある。

パルス幅変調方式によるスタティック駆動では、２値電圧レベルのコモン信号と、同じ電圧を用いて作成される２値電圧レベルのセグメント信号を、それぞれ、画素を挟んで対向するコモン電極とセグメント電極に印加することによって、液晶に３値電圧レベルの駆動信号を供給する方法が公知である（例えば、特許文献１参照。）。図３に、この駆動方法におけるコモン信号Ｃ、セグメント信号Ｓおよび駆動信号Ｐの波形を示す。

図３に示すように、液晶に印加される駆動信号Ｐは、液晶に印加される交番電界が一方の極性である期間（以下、第１の期間Ｔ１とする）では、正極性のパルスであり、液晶に印加される交番電界が他方の極性である期間（以下、第２の期間Ｔ２とする）では、負極性のパルスである。これは、液晶の駆動電圧に直流成分が含まれていると、液晶の寿命が短くなってしまうからである。この駆動方法では、各画素の液晶に印加される電圧の実効値は、対応するセグメント信号のパルス幅によって変化する。そして、印加電圧の実効値の変化に伴って、液晶を通過する際の光の位相が変化する。

特開昭５９−１５７５７２号公報（図５）

しかしながら、図３に示す従来の駆動方法では、パルス幅がゼロまたは最大であるときを除いて、すなわち中間階調のときには、液晶の印加電圧がゼロでない期間とゼロである期間が発生する。印加電圧がゼロである期間が長いと、液晶の状態が変化し、液晶を通過する光の位相の変化量（以下、単に位相変化量とする）が減少してしまう。そして、次に液晶の印加電圧がゼロでない期間になると、位相変化量が再び増加する。このように、位相変化量が減少と増加を繰り返す現象（これを、波形応答現象という）が発生する。

また、図３に示す従来の駆動方法では、液晶変調素子の特性の変化が急峻な箇所では、分解能が不足するという不具合がある。以下、図４および図５を参照しながら、この不具合について説明する。図４は、液晶に印加する駆動電圧（実効値）と液晶を通過する光の位相との関係を示す図である。図４に示すように、液晶光変調素子の特性はリニアではなく、特性曲線に傾きの急峻なところがある。例えば、図４に示す特性曲線において、液晶に印加する駆動電圧の実効値がＶＡ、ＶＢ、ＶＣおよびＶＤのときの液晶を通過得する光の位相をそれぞれφＡ、φＢ、φＣおよびφＤとする。

図４に示す例では、φＡ−φＢ間よりもφＢ−φＣ間の方が、特性曲線の傾きが急になっている。ディジタル回路により生成されるパルス幅変調方式のパルス変化幅は、図４に示す特性曲線のいずれの箇所においても一定である。従って、この特性曲線の傾きが急な箇所での１パルス変化幅が、液晶光変調素子の最小分解能に相当する。

図５に、電圧実効値がＶＡ、ＶＢ、ＶＣおよびＶＤを得るためのパルス幅変調方式による駆動信号の波形を示す。図５において、駆動信号ＰＡは、電圧実効値がＶＡとなるときに対応し、このときには位相変化量が最小となる。駆動信号ＰＤは、電圧実効値がＶＤとなるときに対応し、このときには位相変化量が最大となる。駆動信号ＰＣは、電圧実効値がＶＣとなるときに対応し、特性曲線が最も急峻となる箇所に対応する。

駆動信号ＰＢは、電圧実効値がＶＢとなるときに対応し、駆動信号ＰＣより１最小パルス幅分だけ狭いパルスである。この場合、駆動信号ＰＢと駆動信号ＰＣの中間のパルス幅のパルスを発生させることができない。つまり、図４に示す特性曲線において、ＶＢとＶＣの中間の電圧を発生させることはできない。従って、この液晶光変調素子の最小分解能はφＣ−φＢとなる。これよりも高い分解能を必要とする場合には、駆動回路の回路規模を大きくしたり、クロック周波数を高くする必要があるが、その場合には、消費電力が増大するという問題が生じる。

ところで、液晶の特性は、温度などの要因で変化することが知られている。パルス幅変調方式では、このような変動要素を予め計算して変調データに反映しておき、それによるパルス幅の微調整により、特性の変化分を補正することが考えられる。しかし、この計算は非常に複雑であり、簡易的なシステムではリアルタイムで対応することは困難である。

そこで、一般的な液晶駆動装置では、駆動信号の振幅を制御することにより特性の変化分を補正することが行われている。しかし、この補正方法では、図３に示す従来のパルス幅変調方式による駆動方法の場合、コモン信号とセグメント信号の振幅が同じであるため、ＩＣ（集積回路）化されたセグメント駆動回路の耐圧を超えたり、消費電力が増加するなどの欠点がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、波形応答現象を軽減することができる液晶光変調素子の駆動方法および駆動装置を提供することを目的とする。また、この発明は、消費電力の増加を招くことなく、液晶の特性の変化が急峻な箇所における分解能を高くすることができる液晶光変調素子の駆動方法および駆動装置を提供することを目的とする。さらに、この発明は、セグメント駆動回路の耐圧を超えたり、消費電力が増加するなどの不具合を招くことなく、液晶の特性の変化を補正することができる液晶光変調素子の駆動方法および駆動装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる液晶光変調素子の駆動方法は、液晶変調素子の対向する電極間に封止された液晶に、変調データに基づいてパルス幅変調された駆動信号による交番電界を印加して、前記液晶をスタティック駆動するにあたって、前記液晶に印加される交番電界が一方の極性である期間では、第１のオン電圧および第１のオフ電圧の２値レベルでパルス幅変調を行い、前記液晶に印加される交番電界が他方の極性である期間では、前記第１のオン電圧および前記第１のオフ電圧とそれぞれ異なる第２のオン電圧および第２のオフ電圧の２値レベルでパルス幅変調を行うことを特徴とする。

また、請求項２の発明にかかる液晶光変調素子の駆動方法は、請求項１に記載の発明において、前記第２のオン電圧は、前記第１のオン電圧と逆の極性で、かつ同じ絶対値であり、前記第２のオフ電圧は、前記第１のオフ電圧と逆の極性で、かつ同じ絶対値であり、前記第１のオン電圧と前記第１のオフ電圧は同じ極性であり、前記第２のオン電圧と前記第２のオフ電圧は同じ極性であることを特徴とする。

また、請求項３の発明にかかる液晶光変調素子の駆動方法は、請求項１または２に記載の発明において、前記第１のオフ電圧および前記第２のオフ電圧は、前記液晶に印加される電圧の変化に対して前記液晶を通過する光の位相が変化し始めるときのバイアス電圧であり、前記第１のオン電圧および前記第２のオン電圧は、前記液晶を通過する光の位相変化量に対応するパルス幅を有する電圧であることを特徴とする。

また、請求項４の発明にかかる液晶光変調素子の駆動方法は、請求項３に記載の発明において、対向する前記電極は、コモン信号が印加されるコモン電極と、セグメント信号が印加されるセグメント電極であり、前記セグメント信号は、第１のセグメント電圧と第２のセグメント電圧の２値電圧レベルでパルス幅変調された信号であり、前記コモン信号は、前記第１のセグメント電圧に前記バイアス電圧を加算した第１のコモン電圧と、前記第２のセグメント電圧に前記バイアス電圧を減算した第２のコモン電圧の２値レベルの信号であり、前記セグメント信号と前記コモン信号の差分を前記駆動信号として前記液晶に印加することを特徴とする。

また、請求項５の発明にかかる液晶光変調素子の駆動装置は、液晶変調素子の対向するコモン電極とセグメント電極の間に封止された液晶に、変調データに基づいてパルス幅変調された駆動信号による交番電界を印加して、前記液晶をスタティック駆動する駆動装置であって、変調データに基づいて、前記セグメント電極に印加するセグメント信号を生成するセグメント駆動回路と、極性信号に基づいて、前記コモン電極に印加するコモン信号を生成するコモン駆動回路と、前記セグメント駆動回路にパルス幅変調を行う際のタイミングを制御するクロック信号を供給するとともに、前記コモン回路に前記極性信号を供給する制御回路と、前記セグメント駆動回路に電圧増幅を行うための直流電圧を供給する第１の直流電源、並びに前記コモン回路に、前記第１の直流電源によって生成される電圧にバイアス電圧を重畳した直流電圧を、電圧増幅を行うための電圧として供給する第２の直流電源および第３の直流電源を含むアナログ電源回路と、を備えることを特徴とする。

また、請求項６の発明にかかる液晶光変調素子の駆動装置は、請求項５に記載の発明において、前記第２の直流電源および前記第３の直流電源は、可変直流電源であることを特徴とする。また、請求項７の発明にかかる液晶光変調素子の駆動装置は、請求項６に記載の発明において、前記第２の直流電源および前記第３の直流電源は、前記液晶の特性変動を補正するための補正信号に基づいて、前記液晶の特性変動を打ち消すように前記バイアス電圧を変化させることを特徴とする。

請求項１乃至５の発明によれば、常に液晶にバイアス電圧が印加されていることによって、オフ電圧がゼロではないので、波形応答現象が軽減する。また、無効なパルス幅変調期間がなくなるので、駆動回路の回路規模を大きくしたり、クロック周波数を高くしなくても、液晶の特性変化が急峻な部分の分解能が高くなる。請求項６または７の発明によれば、温度等の影響による液晶の特性の変化を容易に補正することができる。

本発明にかかる液晶光変調素子の駆動方法および駆動装置によれば、波形応答現象を軽減することができる。また、消費電力の増加を招くことなく、液晶の特性の変化が急峻な箇所における分解能を高くすることができる。さらに、セグメント駆動回路の耐圧を超えたり、消費電力が増加するなどの不具合を招くことなく、液晶の特性の変化を補正することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる液晶光変調素子の駆動方法および駆動装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図６は、実施の形態にかかる液晶光変調システムの概略構成を示す図である。図６に示すように、液晶光変調素子１１は、液晶をガラスまたはシリコンでできた一対の基板１２，１３の、相対峙する面にそれぞれコモン電極１４とセグメント電極１５が設けられ、かつ反対側の面にそれぞれ偏光板１６，１７が設けられた構成となっている。そして、これらの基板１２，１３とシール材１８により封止された空間に液晶１９が封入されている。

駆動装置２１は、変調データに基づいて、セグメント電極１５に印加するセグメント信号を生成するセグメント駆動回路２２と、極性信号に基づいて、コモン電極１４に印加するコモン信号を生成するコモン駆動回路２３と、制御回路２４とアナログ電源回路２５と図示省略したディジタル電源回路を備えている。制御回路２４は、セグメント駆動回路２２に、パルス幅変調を行う際のタイミングを制御するクロック信号を供給する。また、制御回路２４は、コモン回路２３に極性信号を供給する。

アナログ電源回路２５は、セグメント駆動回路２２およびコモン駆動回路２３に、電圧増幅を行うための直流電圧を供給する。セグメント駆動回路２２およびコモン駆動回路２３は、それぞれアナログ電源回路２５から供給された直流電圧に基づいて、液晶駆動に適した電圧レベルのセグメント信号とコモン信号を生成する。

図７は、駆動装置２１の詳細な構成を示すブロック図である。セグメント駆動回路２２は、演算回路３１、分周回路３２、極性制御回路３３および第１の電圧増幅回路３４を有する。コモン駆動回路２３は、第２の電圧増幅回路３５を有する。制御回路２４は、発振回路３６、水晶振動子３７および制御信号作成回路３８を有する。アナログ電源回路２５は、第１の直流電源３９、第２の直流電源４０および第３の直流電源４１を有する。

発振回路３６は、高周波のクロック信号を生成する。ここでは、安定した周波数を必要とするので、発振回路３６として水晶発振器が用いられる。制御信号作成回路３８は、発振回路３６で生成されるクロック信号に基づいて、セグメント駆動回路２２やコモン駆動回路２３に必要な各種制御信号、すなわち極性信号やパルス幅変調を行うためのＰＷＭクロック信号を生成する。

極性信号は、液晶に印加される交番電界が一方の極性である第１の期間Ｔ１と他方の極性である第２の期間Ｔ２で反転するロジック信号である。ＰＷＭクロック信号は、パルス幅変調を行うのに必要なタイミングをクロック信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジで供給する。

分周回路３２は、制御信号作成回路３８から供給されるＰＷＭクロック信号を分周する。演算回路３１は、外部から供給される変調データと分周回路３２の出力信号を用いて演算を行い、パルス幅変調を行う。変調データは、液晶光変調素子１１の変調量を表すデータであり、本実施の形態ではディジタル信号である。極性制御回路３３は、演算回路３１の出力信号を、制御信号作成回路３８から供給される極性信号に応じて反転する。第１の電圧増幅回路３４は、アナログ電源回路２５から供給される直流電圧に基づいて、極性制御回路３３から出力されるロジックレベルの電圧をセグメント電圧に変換し、セグメント信号として出力する。

ここで、セグメント信号のＨレベルはＶＤ−ＶＡであり、Ｌレベルはゼロである。ただし、ＶＤは、位相変化量が最大となるときの駆動信号の電圧実効値である。また、ＶＡは、位相変化量が最小となるときの駆動信号の電圧実効値である。従って、ＶＤ＞ＶＡである。なお、Ｈレベルは、２値の電位レベルのうちの高い方のレベルであり、低い方のレベルがＬレベルである。また、液晶には、コモン信号とセグメント信号の差分である駆動信号の電圧が印加される。

液晶光変調素子１１が複数の画素を有する構成の場合には、セグメント信号を画素数分だけ作成して各画素に供給する必要がある。この場合、演算回路３１と極性制御回路３３と第１の電圧増幅回路３４が各セグメント信号ごとに独立して必要になるので、セグメント駆動回路２２が大規模になる。そのため、セグメント駆動回路２２は、ＣＭＯＳの集積回路で構成される。なお、分周回路３２は、制御回路２４に含まれる場合がある。

第２の電圧増幅回路３５は、制御信号作成回路３８から供給される極性信号をコモン信号に変換して出力する。コモン信号のＨレベルはＶＤであり、Ｌレベルは−ＶＡである。コモン駆動回路２３は、その構成が単純であるので、特に集積回路にする必要はない。コモン駆動回路２３を単体のトランジスタ等で構成すれば、容易に高耐圧化することができる。第１の直流電源３９は、グランドレベル、すなわちゼロに対してＶＤ−ＶＡの電圧を発生する直流電源である。第２の直流電源４０は、第１の直流電源３９の発生電圧、すなわちＶＤ−ＶＡに対してＶＡだけ高い電圧を発生する直流電源である。

従って、第１の直流電源３９と第２の直流電源４０の直列接続によって、グランドレベルに対してＶＤだけ高い電圧が発生する。一方、第３の直流電源４１は、グランドレベルに対してＶＡだけ低い電圧、すなわち−ＶＡを発生する直流電源である。第２の電圧増幅回路３５には、第１の直流電源３９および第２の直流電源４０により電圧ＶＤが供給され、また、第３の直流電源４１により電圧−ＶＡが供給される。第１の電圧増幅回路３４には、グランドレベルの電圧、すなわちゼロと第１の直流電源３９によりＶＤ−ＶＡの電圧が供給される。これら第１〜第３の直流電源３９〜４１は、例えばスイッチングレギュレータやチャージポンプとオペアンプなどを組み合わせた定電圧源で構成される。

図８は、図７に示す駆動装置２１により生成されるコモン信号およびセグメント信号と、液晶光変調素子１１の電極間に印加される駆動信号の波形を示す図である。図８において、セグメント信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣおよびＳＤは、それぞれ図４に示す液晶の特性曲線において、液晶に印加する駆動電圧の実効値ＶＡ、ＶＢ、ＶＣおよびＶＤに対応する。また、図８において、駆動信号ＰＡ、ＰＢ、ＰＣおよびＰＤは、それぞれコモン信号Ｃからセグメント信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣおよびＳＤを減算した電圧の波形であり、その電圧実効値がそれぞれＶＡ、ＶＢ、ＶＣおよびＶＤとなる。

図８に示すように、コモン信号Ｃは、例えば第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２で極性が反転し、かつＨレベルが電圧ＶＤであり、Ｌレベルが電圧−ＶＡとなる信号である。セグメント信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣおよびＳＤは、コモン信号と同じデューティの信号であり、ＨレベルがＶＤ−ＶＡの電圧であり、Ｌレベルがゼロとなる信号である。

セグメント信号ＳＡは、第１の期間Ｔ１においてＨレベルであり、第２の期間Ｔ２でＬレベルである。従って、駆動信号ＰＡの電圧は、第１の期間Ｔ１においてＶＡ（＝ＶＤ−（ＶＤ−ＶＡ））となり、第２の期間Ｔ２において−ＶＡ（＝−ＶＡ−０）となる。このときのパルス幅変調によるパルス幅はゼロである。セグメント信号ＳＤは、第１の期間Ｔ１においてＬレベルであり、第２の期間Ｔ２でＨレベルである。従って、駆動信号ＰＤの電圧は、第１の期間Ｔ１においてＶＤ（＝ＶＤ−０）となり、第２の期間Ｔ２において−ＶＤ（＝−ＶＡ−（ＶＤ−ＶＡ））となる。このときのパルス幅変調によるパルス幅は最大である。

セグメント信号ＳＢおよびＳＣは、中間階調のときであり、第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２のそれぞれにおいてその途中で極性が反転する。すなわち、セグメント信号ＳＢおよびＳＣは、第１の期間Ｔ１の前半ではＬレベルであり、第１の期間Ｔ１の後半から第２の期間Ｔ２の前半にかけてはＨレベルとなり、第２の期間Ｔ２の後半から次の第１の期間Ｔ１の前半にかけては再びＨレベルとなる。従って、駆動信号ＰＢおよびＰＣの電圧は、第１の期間Ｔ１の前半ではＶＤ（＝ＶＤ−０）となり、第１の期間Ｔ１の後半ではＶＡ（＝ＶＤ−（ＶＤ−ＶＡ））となり、第２の期間Ｔ２の前半では−ＶＤ（＝−ＶＡ−（ＶＤ−ＶＡ））となり、第２の期間Ｔ２の後半では−ＶＡ（＝−ＶＡ−０）となる。

つまり、本実施の形態では、第１の期間Ｔ１においては第１のオン電圧ＶＤと第１のオフ電圧ＶＡの２値レベルでパルス幅変調を行い、第２の期間Ｔ２においては第２のオン電圧−ＶＤと第２のオフ電圧−ＶＡの２値レベルでパルス幅変調を行うことになる。ここで、第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２の時間を同じにして、液晶に印加される電圧の直流成分をゼロにすることによって、液晶光変調素子１１の寿命に及ぼす影響をなくすのが好ましい。

図８に示す駆動信号ＰＡ、ＰＢ、ＰＣおよびＰＤの波形では、第１のオン電圧ＶＤを発生するパルスの開始のエッジを第１の期間Ｔ１の始まりに合わせ、かつ第２のオン電圧−ＶＤを発生するパルスの開始のエッジを第２の期間Ｔ２の始まりに合わせている。これ以外にも、図９に示すように、第１のオン電圧ＶＤを発生するパルスの開始のエッジを第１の期間Ｔ１の終りに合わせ、かつ第２のオン電圧−ＶＤを発生するパルスの開始のエッジを第２の期間Ｔ２の終りに合わせるようにしてもよい。

また、図１０または図１１に示すように、第１の期間Ｔ１における第１のオフ電圧を−ＶＡとし、第２の期間Ｔ２における第２のオフ電圧をＶＡとしてもよい。図１０に示す波形は、第１のオン電圧ＶＤを発生するパルスの開始のエッジを第１の期間Ｔ１の始まりに合わせ、かつ第２のオン電圧−ＶＤを発生するパルスの開始のエッジを第２の期間Ｔ２の始まりに合わせたものであり、図１１に示す波形は、パルスの開始のエッジをそれぞれの期間Ｔ１の終りに合わせたものである。

駆動信号ＰＡ、ＰＢ、ＰＣおよびＰＤを図１０または図１１に示すような波形にするには、コモン信号ＣのＨレベルおよびＬレベルをそれぞれＶＤおよびＶＡの電圧とし、セグメント信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣおよびＳＤのＨレベルおよびＬレベルをそれぞれＶＤ＋ＶＡおよびゼロの電圧とすればよい。この場合には、セグメント電圧が図８に示す波形の場合よりも高くなってしまうので、セグメント駆動回路２２を、図８に示す波形の場合よりも耐圧の高いプロセスで作製する必要がある。従って、セグメント駆動回路２２の高集積化を図るには、図８に示す波形の場合の方が有利である。

ところで、液晶の特性は、温度などの要因によって変化する。従って、液晶光変調素子１１をそのような特性変化が起こり得る環境において使用する場合には、その特性の変化分を補正するのが望ましい。図１２は、液晶の特性変化分を補正するようにした駆動装置の構成を示すブロック図である。

図１２に示す駆動装置１２１が図７に示す駆動装置２１と異なるのは、アナログ電源回路２５において第２の直流電源４０と第３の直流電源４１に代えて、それぞれ第２の可変直流電源４２と第３の可変直流電源４３を用いたことである。第２の可変直流電源４２および第３の可変直流電源４３は、例えばスイッチングレギュレータやチャージポンプとオペアンプなどを組み合わせた定電圧源で構成される。

第２の可変直流電源４２および第３の可変直流電源４３には、制御信号入力端子が設けられている。また、駆動装置１２１には、補正信号の入力端子が設けられている。その入力端子から入力される補正信号は、第２の可変直流電源４２と第３の可変直流電源４３の各制御信号入力端子に供給される。そして、制御信号入力端子に入力される補正信号に基づいて、第２の可変直流電源４２および第３の可変直流電源４３のそれぞれの出力電圧が変化する。

従って、補正信号に基づいて、コモン信号のバイアス分が変動し、コモン信号の振幅が増減するので、液晶光変調素子１１の駆動電圧の実効値が補正される。特に図示しないが、例えば、補正信号の入力端子に温度センサーの出力端子を接続すれば、簡易的な温度補正を行うことができる。

ここで、液晶光変調素子１１が反射型である場合に、液晶光変調素子１１を１／４波長板に想定し、透過型である場合に１／２波長板に想定すると、液晶の複屈折Δｎ、コモン電極１４とセグメント電極１５の間の液晶層の厚さｄ、および光の波長λと、液晶を通過する際の光の減衰率ＡＴＴとの間には、次の（１）式〜（４）式に示す関係がある。（１）式は、液晶光変調素子１１がノーマリオフの反射型の場合であり、（２）式は、ノーマリオンの反射型の場合であり、（３）式は、ノーマリオフの透過型の場合であり、（４）式は、ノーマリオンの透過型の場合である。

ただし、上記各式においては、液晶の配向はホモジニアス配向である。また、ノーマリオンについては、入射側偏光板の偏光方向と出射側偏光板の偏光方向が平行であり、ノーマリオフについては、それらの偏光板方向が直交している。なお、液晶の配向が垂直配向である場合には、上記（１）式と（３）式がノーマリオンの場合であり、（２）式と（４）式がノーマリオフの場合となる。また、液晶はネガ型のものである。さらに、いずれの場合も、入射偏光と液晶分子は４５度に設定されている。上記各式において、２πΔｎｄ／λは光の位相であるので、上述した構成の液晶光変調システムを用いて光減衰器を構成することができる。

以上、詳述したように、実施の形態によれば、液晶に実効値ＶＡのＡＣバイアスをかけた駆動と等価であり、駆動電圧がゼロとなる期間がないので、波形応答現象を軽減することができる。また、波形応答現象を軽減するにあたって、クロック周波数を高くする必要がない。

さらに、図５に示す従来の波形では、パルス幅変調のパルス幅がゼロのときから最小のパルス幅となる駆動信号ＰＡに至るまでの期間は、すべてφＡの位相になる（図４参照）ため、液晶光変調素子としては無効な変調期間であるが、本実施の形態によれば、この無効な変調期間がないので、パルス幅がぜろのときから最大に至るまでのすべてのダイナミックレンジ内で変調を有効に行うことができる。

図１３は、本実施の形態の一実施例と従来例について、パルス幅に対して駆動電圧の実効値をプロットした特性図である。図１３に示すように、実施例では、バイアス電圧に近い低電圧側でパルス幅の変化に対する出力電圧値のリニアリティが従来例よりも向上している。従来例では、低電圧側のパルス幅に対する電圧変化が急峻になっている。従って、実施例によれば、１最小パルス幅分の電圧変化が小さくなるので、最小分解能を高くすることができる。

特に、本実施の形態をノーマリオフモードで使用する光減衰器に適用することによって、従来例の低電圧側に現れる減衰量の変化率が大きくなる部分の分解能を高くすることができる。その際、駆動回路の回路規模を大きくしたり、クロック周波数を高くする必要がないので、消費電力が増えることはない。

また、本実施の形態の光変調素子を光減衰器として用いる以外にも、入射直線偏光を液晶セルの分子長軸に平行とすることで、通信用信号に微小ディレイを与えるための位相変調素子として用いることもできる。ディレイ素子としての位相変調素子は、主に４０Ｇｂｐｓよりも高速の信号が光ファイバを伝播する際に生じるＰＭＤ（偏光モード分散）に起因する光パルスの偏光成分による劣化を補償して、信号の品質を向上させるので、長距離伝送を実現することが可能となる。

また、図１２に示す構成の駆動装置１２１を用いることによって、セグメント信号の振幅を変えることなく、液晶光変調素子１１の駆動電圧の実効値を補正することができる。その際、セグメント信号の電圧が変化しないので、セグメント駆動回路２２の耐圧を超えたり、消費電力が増加することはない。なお、コモン信号の振幅は変化するが、コモン駆動回路２３は単純な構成であり、消費電力が少ないので、駆動装置１２１の消費電力にはあまり影響がない。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２が１回ずつ交互に繰り返されている例について説明したが、第１の期間Ｔ１が複数回、連続し、第２の期間Ｔ２が複数回、連続するようになっていてもよい。ただし、この場合には、全体に占める第１の期間Ｔ１の割合と第２の期間Ｔ２の割合を同じにして、直流成分が発生しないようにするのが好ましい。また、本発明は、水平配向や垂直配向の液晶に限らず、捻じれネマティック（ＴＮ）液晶を用いた場合も同様の効果を奏する。さらには、パルス幅変調によって変調する対象を、光の透過率や減衰率や複屈折Δｎにしても同様である。

以上のように、本発明にかかる液晶光変調素子の駆動方法および駆動装置は、光位相変調素子に有用であり、特に、光の位相変化を利用した光減衰器に適している。

スタティック駆動方式の概念を示す図である。 マトリクス駆動方式の概念を示す図である。 従来のパルス幅変調方式によるスタティック駆動方法における信号波形を示す図である。 液晶光変調素子の変調特性を示す図である。 従来のパルス幅変調方式によるスタティック駆動方法における駆動信号の波形を示す図である。 実施の形態にかかる液晶光変調システムの概略構成を示す図である。 実施の形態にかかる液晶光変調素子の駆動装置の構成を示す図である。 実施の形態にかかる液晶光変調素子の駆動方法における信号波形を示す図である。 実施の形態にかかる液晶光変調素子の駆動方法における駆動信号の別の波形を示す図である。 実施の形態にかかる液晶光変調素子の駆動方法における駆動信号の別の波形を示す図である。 実施の形態にかかる液晶光変調素子の駆動方法における駆動信号の別の波形を示す図である。 液晶光変調素子の駆動装置の他の構成を示す図である。 実施の形態の一実施例と従来例についてパルス幅と駆動電圧の実効値との関係を示す図である。

符号の説明

１１ 液晶光変調素子
１４ コモン電極
１５ セグメント電極
１９ 液晶
２２ セグメント駆動回路
２３ コモン駆動回路
２４ 制御回路
２５ アナログ電源回路
３９ 第１の直流電源
４０ 第２の直流電源
４１ 第３の直流電源
４２，４３ 可変直流電源

Claims (7)

1. 液晶変調素子の対向する電極間に封止された液晶に、変調データに基づいてパルス幅変調された駆動信号による交番電界を印加して、前記液晶をスタティック駆動するにあたって、
   前記液晶に印加される交番電界が一方の極性である期間では、第１のオン電圧および第１のオフ電圧の２値レベルでパルス幅変調を行い、前記液晶に印加される交番電界が他方の極性である期間では、前記第１のオン電圧および前記第１のオフ電圧とそれぞれ異なる第２のオン電圧および第２のオフ電圧の２値レベルでパルス幅変調を行うことを特徴とする液晶光変調素子の駆動方法。
2. 前記第２のオン電圧は、前記第１のオン電圧と逆の極性で、かつ同じ絶対値であり、前記第２のオフ電圧は、前記第１のオフ電圧と逆の極性で、かつ同じ絶対値であり、前記第１のオン電圧と前記第１のオフ電圧は同じ極性であり、前記第２のオン電圧と前記第２のオフ電圧は同じ極性であることを特徴とする請求項１に記載の液晶光変調素子の駆動方法。
3. 前記第１のオフ電圧および前記第２のオフ電圧は、前記液晶に印加される電圧の変化に対して前記液晶を通過する光の位相が変化し始めるときのバイアス電圧であり、前記第１のオン電圧および前記第２のオン電圧は、前記液晶を通過する光の位相変化量に対応するパルス幅を有する電圧であることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光変調素子の駆動方法。
4. 対向する前記電極は、コモン信号が印加されるコモン電極と、セグメント信号が印加されるセグメント電極であり、前記セグメント信号は、第１のセグメント電圧と第２のセグメント電圧の２値電圧レベルでパルス幅変調された信号であり、前記コモン信号は、前記第１のセグメント電圧に前記バイアス電圧を加算した第１のコモン電圧と、前記第２のセグメント電圧に前記バイアス電圧を減算した第２のコモン電圧の２値レベルの信号であり、前記セグメント信号と前記コモン信号の差分を前記駆動信号として前記液晶に印加することを特徴とする請求項３に記載の液晶光変調素子の駆動方法。
5. 液晶変調素子の対向するコモン電極とセグメント電極の間に封止された液晶に、変調データに基づいてパルス幅変調された駆動信号による交番電界を印加して、前記液晶をスタティック駆動する駆動装置であって、
   変調データに基づいて、前記セグメント電極に印加するセグメント信号を生成するセグメント駆動回路と、
   極性信号に基づいて、前記コモン電極に印加するコモン信号を生成するコモン駆動回路と、
   前記セグメント駆動回路にパルス幅変調を行う際のタイミングを制御するクロック信号を供給するとともに、前記コモン回路に前記極性信号を供給する制御回路と、
   前記セグメント駆動回路に電圧増幅を行うための直流電圧を供給する第１の直流電源、並びに前記コモン回路に、前記第１の直流電源によって生成される電圧にバイアス電圧を重畳した直流電圧を、電圧増幅を行うための電圧として供給する第２の直流電源および第３の直流電源を含むアナログ電源回路と、
   を備えることを特徴とする液晶光変調素子の駆動装置。
6. 前記第２の直流電源および前記第３の直流電源は、可変直流電源であることを特徴とする請求項５に記載の液晶光変調素子の駆動装置。
7. 前記第２の直流電源および前記第３の直流電源は、前記液晶の特性変動を補正するための補正信号に基づいて、前記液晶の特性変動を打ち消すように前記バイアス電圧を変化させることを特徴とする請求項６に記載の液晶光変調素子の駆動装置。
   
   
   

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