JP2007248578A - 電界形成素子と光偏向素子及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡略な構成で製造プロセスにコストをかけることなく、電界の均一性を確保する。
【解決手段】複数のライン電極３を基板２の一方の表面に形成して電位勾配を発生させる電界形成素子１の基板２を誘電体で形成して、電位勾配により生じた電界の、複数のライン電極３の配置に応じた変調の影響を基板２を形成する誘電体を介して低減し、ライン電極３を形成した面とは反対側の面近傍でほぼ均一な水平電界を得る。また、誘電体で形成した基板２の一方の表面に形成され複数のライン電極３の端部表面に沿って抵抗体５を設け、印加される電圧を分圧して複数のライン電極３に供給して、電界を発生させたい領域が広い面積であっても均一な電界を得る。
【選択図】 図２

Description

この発明は、抵抗体に電流を流すことで発生する電位勾配を利用して面内電界を形成する電界形成素子と、それを使用して光の方向を変える光偏向素子及び光偏向素子を使用したプロジェクションディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に関するものである。

液晶分子の配列を電極基板面内に沿って生じる電界により変化させて広視野角特性を有する画像表示装置が、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。この画像形成装置に使用している光偏向素子は、液晶層を挟んだ透明基板の一方の基板表面にだけ複数の平行なライン電極を設け、外部には電源から供給される電圧を分割する複数の抵抗を設け、各抵抗間を各ライン電極に接続し、各ライン電極に段階的な電圧値を印加して各ライン電極間の電位差により各ライン電極間に基板面内に沿った電界すなわち水平電界を生じさせて、液晶層の内部に強制的に電位勾配を作り、素子の全面で比較的均一な電界強度を得るようにしている。

このように各ライン電極間に基板面内に沿った水平電界を生じさせる場合、巨視的にはライン電極間の電位差に対応した水平電界が発生しているとみなるが、ライン電極は一定の電位を持ち、ライン電極とライン電極の間は電位を持たないことから電界は変調される。すなわち、ライン電極の形状やピッチと同程度のオーダーにおいて均一な電界を得ることはできない。このように電界の変調が存在すると、光偏向素子に有する液晶の配向が乱れて白濁したり、配向方向が均一でなくなって光偏向量に分布が発生するなどして良好な特性が得られなくなってしまう。このような電界の変調の影響を低減するために、特許文献１や特許文献２に示された光偏向素子は、ライン電極と液晶層の間に誘電体層を設け、誘電体層により液晶層に印加する電界の局所的な変動を抑制するようにしている。
特開２００３−９８５０２号公報 特開２００４−２８６９３５号公報

前記のように液晶層に印加する電界の局所的な変動を抑制するために、基板のライン電極を形成した面にマイラーシートや薄いガラスを接着して誘電体層を形成すると、基板と誘電体層の間に接着剤層が介在するとともに接着層の厚さムラや接着したガラス等の誘電体のうねりに起因して形成した誘電体層の表面の平坦性が悪いためにコントラスト低下等の光学性能の劣化を引き起こすという短所がある。

この誘電体層の表面の平坦性を改善するため、基板のライン電極を形成した面にガラスを接着した後に研磨を施して十分な平坦性を確保すると、研磨作業が煩雑で光偏向素子が高コスト化してしまうという短所がある。

この短所を改善するために、基板のライン電極を形成した面に誘電体層を成膜すると、基板表面に対して反射低減膜や誘電体層層の成膜等を繰り返す必要があり、耐熱性や耐薬品性の基板を使用する必要があるとともに製造工程が複雑になってしまう。

この発明はこのような短所を改善し、簡略な構成で製造プロセスにコストをかけることなく、電界の均一性を確保することができる電界形成素子と、それを使用して光学性能の劣化を防ぐことができる光偏向素子及び画像表示装置を提供することを目的とするものである。

この発明の電界形成素子は、基板と複数ライン電極及び抵抗体を有し、前記基板は誘電体で形成され、前記複数のライン電極は、前記基板の一方の表面に形成され、前記抵抗体は直列に接続された複数の抵抗を有し、両端は前記基板の両端部に形成されたライン電極に接続され、前記基板は前記ライン電極を外側にして対向されていることを特徴とする。

この発明の他の電界形成素子は、基板と複数ライン電極及び抵抗体を有し、前記基板は平板状の誘電体で形成され、前記複数のライン電極は、前記基板の一方の表面に平行に形成され、前記抵抗体は前記複数のライン状電極の端部表面に沿って位置し、前記基板は前記ライン電極を外側にして対向されていることを特徴とする。

前記基板の厚さは、0.5ｍｍ〜１ｍｍであることが望ましい。

また、前記基板を透明な誘電体で形成し、前記複数のライン電極を透明な材料で形成すると良い。

この発明の光偏向素子は、前記透明な誘電体で形成した基板と透明材料で形成した複数のライン電極を有する電界形成素子と、透明な平板状の基板を有し、前記基板間にキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層を有することを特徴とする。

前記電界形成素子の前記ライン電極が形成された面に、透明な絶縁体を設けると良い。

この絶縁体基板や絶縁層の表面に１層又は多層の反射低減構造体を形成することが望ましい。

この発明の画像表示装置は、前記光偏向素子を有する画像表示装置であって、画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が２次元的に配列した画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する照明光学系と、前記光偏向素子と、前記画像表示素子から出射された画像光を偏向して投影する投影光学系とを有し、前記光偏向素子が前記画像表示素子と投影光学系との間に設けられたことを特徴とする。

この発明は、複数のライン電極を基板の一方の表面に形成して電位勾配を発生させる電界形成素子の基板を誘電体で形成して、電位勾配により生じた電界の、複数のライン電極の配置に応じた変調の影響を基板を形成する誘電体を介して低減し、ライン電極を形成した面とは反対側の面近傍でほぼ均一な水平電界を得ることができる。

また、誘電体で形成した基板の一方の表面に形成され複数のラインの端部表面に沿って抵抗体を設け、印加される電圧を分圧して前記複数のライン電極に供給することにより電界を発生させたい領域が広い面積であっても均一な電界を得ることができるとともに電界形成素子を小型化することができる。

さらに、誘電体からなる基板を厚さ0.1ｍｍ〜１ｍｍにするから、基板により電界強度が減少することを防いで必要な電界強度を確保するとともに機械低強度の低下を防ぐことができる。

この電界形成素子とキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層で光偏向素子を形成することにより、応答速度が速く安定した動作で光路を偏向させることができる。

また、光偏向素子を構成する電界形成素子のライン電極が形成された面に、透明な絶縁体を設けることにより、ライン電極の放電を防止するとともに複数のライン電極による光の回折を低減することができる。

さらに、絶縁体や絶縁層の表面に１層又は多層の反射低減構造体を形成することにより、空気界面の反射を低減するとともに複数のライン電極による光の回折をより低減することができる。

この光変偏向素子を画像表示装置に使用し、画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が２次元的に配列した画像表示素子から出射された画像光を偏向して投影することにより、画素数の少ない画像表示素子を用いても高精細で性能の安定した画像を表示することができる。

図１はこの発明の電界形成素子の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。図に示すように、電界形成素子１は基板２と複数の平行なライン電極３ａ〜３ｅ及び複数の抵抗４ａ〜４ｄが直列に接続された抵抗体５を有する。基板２は誘電体で形成されており、例えばガラスやプラスリック、セラミック、ゴムなどが使用される。複数のライン電極３ａ〜３ｅは誘電体で形成された基板２を複数区間６ａ〜６ｄに分割している。抵抗体５の両端は、両端のライン電極３ａ，３ｅに接続され、抵抗４ａと抵抗４ｂの接続部はライン電極３ｂに接続され、抵抗４ｂと抵抗４ｃの接続部はライン電極３ｃに接続され、抵抗４ｃと抵抗４ｄの接続部はライン電極３ｄに接続されている。

この電界形成素子１の両端のライン状電極３ａ，３ｂ間に電源７から電圧を印加すると、ライン電極３ａ〜３ｅの各隣接するライン電極間では抵抗体５の各抵抗により電圧の減衰が生じ、各ライン電極３ａ〜３ｅには段階的に異なる電位が与えられて、ライン電極３ａ〜３ｅの長手方向と直交するＸ方向に電位勾配が形成され、この電位が変化するＸ方向に基板２の面に沿った水平電界が発生する。この両端のライン状電極３ａ，３ｂに印加する電圧の極性を逆にすると、電界の方向を反転させることができる。したがって電源７として交流電源を用いると、周期的に、あるいは任意のタイミングで電界の方向を切り替えることができる。

このように電界形成素子１の両端のライン状電極３ａ，３ｂ間に電圧を印加して電界を発生させるとき、各ライン電極３ａ〜３ｅには段階的に異なる電位が与えられて電位勾配が生じる。しかしながら各ライン電極３ａ〜３ｅが形成されている領域は一定の電位を持ち、ライン電極間は電位が浮遊した状態であるので、局所的には各ライン電極３ａ〜３ｅの配置に対応して電界の方向や大きさが変調されている。このような電界の局所的な変調は、誘電体層を介することによってその影響が低減できる。すなわち、図１（ｂ）に示すように、ライン電極３ａ〜３ｅを形成した基板２の表面２ａ（図１（ｂ）では基板２の下方）近傍では変調された電界８が発生するが、基板２を誘電体で形成した場合、各ライン電極３ａ〜３ｅを形成した面２ａとは反対側の表面２ｂ（図１（ｂ）では基板２の上方）近傍では、基板２を形成する誘電体により変調の影響が低減されてより均一な略水平の電界９が得られる。この略水平の電界９で液晶の配向状態を制御したり、帯電した粒子を移動させたり、あるいは電界に誘起される材料物性の変化（歪、構造、磁気的・光学的性質の変化）や発光特性・電子放出特性等に利用することができる。

前記説明では各ライン電極３ａ〜３ｅの隣接するライン電極を抵抗体５の抵抗４ａ〜４ｄを介して電気的に直列に接続した場合について説明したが、図２に示すように、ライン電極３ａ〜３ｈの端部表面に沿って帯状の抵抗膜１０を設けたり、積層して抵抗体５を形成しても良い。

次に電界形成素子１を使用した光偏向素子について説明する。図３は電界形成素子１を使用した光偏向素子１１の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。光偏向素子１１は電界形成素子１と基板１２と４個のスペーサ１３と配向膜１４及び液晶層１５を有する。この光偏向素子１１を構成する電界形成素子１は基板２を透明な誘電体で形成し、ライン電極３ａ〜３ｈを透明電極で形成し、ライン電極３ａ〜３ｈの端部表面に沿って帯状の抵抗膜１０が形成されている。なお、ライン電極３の数については限定されるものではない。基板１２は電界形成素子１の基板２を同じサイズでライン電極３ａ〜３ｈ等は形成されていない。スペーサ１３は、厚さが数μｍ〜１００μｍ程度の厚さのフィルムや、直径が数μｍ〜１００μｍ程度の球状体などで形成されている。

この電界形成素子１の基板４のライン電極３ａ〜３ｈと抵抗膜１０を有する面と反対側の面と基板１２の表面には配向膜１４が形成され、この配向膜１４側を内側にして電界形成素子１の基板４と基板１２はスペーサ１３により一定間隔をおいて貼り合わされている。この対向して配置した配向膜１４の間にキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶層１５が充填されている。配向膜１４は液晶分子を配向膜１４に対して垂直方向に配向させる垂直配向膜であり、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶分子の層構造の層法線方向が基板２の面に対してほぼ垂直となるように構成されている。この配向膜１４としては、シランカップリング剤や市販の液晶用垂直配向剤などを用いることができる。

ここで液晶層１５について詳細に説明する。スメクチック液晶は液晶分子の長軸方向を層状に配列してなる液晶層である。このような液晶に関し、層の法線方向（層法線方向）と液晶分子の長軸方向とが一致している液晶をスメクチックＡ相、法線方向と一致していない液晶をスメクチックＣ相という。スメクチックＣ相よりなる強誘電性液晶は、一般的に外部電界が働かない状態において各層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、キラルスメクチックＣ相と呼ばれる。また、キラルスメクチックＣ相の強誘電性液晶は各層毎に液晶ダイレクタが対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Ｐｓと外部電界Ｅにより定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。

ここで光偏向素子１３の液晶層１５として強誘電性液晶を使用した場合について説明するが、反強誘電性液晶も同様に使用することができる。キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部などよりなる。主鎖構造としてはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレンなどが利用可能である。スペーサは分子回転を担う骨格と結合部及びキラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には（−ＣＯＯ−）結合等が選ばれる。キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電性液晶層１５は配向膜１４により基板２面に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。

この光偏向素子１１の電界形成素子１の両端のライン電極３ａ，３ｈ間に電圧を印加すると、抵抗膜１０に電流が流れ、隣接するライン電極３間では抵抗膜１０により電圧値が減衰し、各ライン状電極３間に電位勾配が発生して各ライン電極３に垂直な電位分布が発生する。この電位勾配により基板２のライン電極３ａ〜３ｈが形成された面近傍に、基板２の面に沿った水平電界が得られる。この水平電界は各ライン電極３ａ〜３ｈの配置に対応して電界の方向や大きさが変調されているが、基板２を誘電体で形成しているから、各ライン電極３ａ〜３ｈを形成した面とは反対側の表面近傍では変調の影響が低減されてより均一な略水平電界が得られる。この電界形成素子１の両端のライン電極３ａ，３ｈ間に印加する電圧の極性を切り替えることにより、各ライン電極３ａ〜３ｈ間には逆向きの電位勾配を与えることができ、液晶層１５内部の水平電界の方向を切り替えることができる。このように水平電界の方向を切り替わると、液晶層１５の平均的な光学軸の傾斜方向が変化して、ライン電極３ａ〜３ｈに平行な方向に直線偏光した入射光は、液晶層１５の厚さ及び液晶分子の常光／異常光屈折率に応じた光路シフトを受けて偏向して、図３（ｂ）に示すように、入射光は第１出射光と第２出射光の光路をとる。このように光を偏向させるとき、ライン電極３の本数やライン幅、ライン間隔、各ライン電極３間の電位差などを所望の光路サイズや光路偏向量及び液晶材料などに基づき適宜設定すれば良い。

このように誘電体からなる基板２にライン電極３ａ〜３ｈを直接形成し、基板２のライン電極３ａ〜３ｈを有する面とは反対側の面に配向膜１４を設ければ良いから、従来のように基板に形成したライン電極の面に誘電体層を接着する必要はなく、単純な構成で液晶層１５に均一な水平電界を発生させることができる。また、余分な接着層がないとともに基板２の平面性や面精度が確保されるから、コントラストの低下等、光学性能の劣化を引き起こすことはなく、光学性能の良好な光偏向素子１１を得ることができる。この誘電体からなる基板２の厚さは0.1ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが望ましい。すなわち基板１が厚いと電界強度が減少してしまうが、１ｍｍ程度であれば実用上問題がない程度の電界強度を確保できる。また、基板２が薄いと機械的強度が低下するが、厚さが0.１ｍｍあれば機械的強度の低下を防ぐことができる。

前記説明では１個の電界形成素子１を使用した光偏向素子１１について説明したが、液晶層１５の両側にそれぞれ電界形成素子１を設けても良い。図４は液晶層１５の両側にそれぞれ電界形成素子１を設けた光偏向素子１１ａの構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。光偏向素子１１ａは、各電界形成素子１の基板４のライン電極３ａ〜３ｈと抵抗膜１０を有する面と反対側の面に配向膜１４が形成され、この配向膜１４側を内側にして２個の電界形成素子１の基板４はスペーサ１３により一定間隔をおいて貼り合わされている。この２個の電界形成素子１を配置するとき、各電界形成素子１の電源７との接続部と抵抗膜１０は光偏向を行う領域を挟んで反対側になるように配置されている。この対向して配置した配向膜１４の間にキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶層１５が充填されている。また、各基板２のライン電極３ａ〜３ｈと抵抗膜１０を有する面には透明な平板状の絶縁体基体１６が接着層１７により接着され、光入射側の絶縁体基体１６の表面には反射低減膜１８が成膜されている。

この光偏向素子１１ａにおいて、各電界形成素子１の両端のライン電極３ａ，３ｈに電源７から電圧を印加すると、それぞれの基板２上の抵抗膜１０に電流が流れ、各ライン電極３に垂直な電位分布が発生して液晶層１５に水平電界が発生する。この電界を発生するとき、液晶層１５の両側に設けた各電界形成素子１で電界を発生するから、液晶層１５の厚さ方向の電界成分が発生することを抑制することができ、液晶層１５に大きさと方向がより均一な水平電界を形成することが出来る。そして印加する電圧の極性を切り替えることにより液晶層１５の電界方向を反転することができ、光を偏向させることができる。

また、各電界形成素子１の誘電体で形成した基板２のライン電極３ａ〜３ｈと抵抗膜１０を有する面には絶縁体基体１６が接着されているから、光偏向素子１１ａを画像表示装置等に組み込んで使用する場合に、高い電位を有する電極と周囲の部材との間で放電が生じることを防止することができる。

さらに、複数のライン電極３ａ〜３ｈによって透過する光が回折されると、画像にゴースト像が現れたり光学性能が劣化するが、この回折の影響は、ライン電極３ａ〜３ｈとその周囲との屈折率差が大きいほど顕著になる。このライン電極３ａ〜３ｈと接着層１７との屈折率差はライン電極３ａ〜３ｈと空気との屈折率差より小さい。したがって基板２のライン電極３ａ〜３ｈと抵抗膜１０を有する面に接着層１７で透明な絶縁体基体１６を接着することにより、ライン電極３ａ〜３ｈによる光の回折を低減することができる。このため、接着層１７としてはライン電極３ａ〜３ｈに近い屈折率を持つ接着剤を選んで使用すると良い。

また、光入射側の絶縁体基体１６の表面に反射低減膜１８を形成することにより、光利用効率とコントラストを向上させることができる。この反射低減膜１８は単層膜で形成しても多層膜で形成しても良い。また、絶縁体基体１６の表面に反射低減膜１８を形成するから、基板２には一方の面にだけライン電極３ａ〜３ｈと抵抗膜１０を形成すれば良く、製造工程を簡略化して生産性を向上することができる。

前記説明では基板２のライン電極３ａ〜３ｈと抵抗膜１０を有する面に接着層１７で透明な絶縁体基体１６を接着した場合について説明したが、図５に示すように、基板２のライン電極３ａ〜３ｈと抵抗膜１０を有する面に透明な絶縁性を有する材料で絶縁体層１９を成膜しても放電を防止することができる。また、ライン電極３ａ〜３ｈと絶縁体層１９との屈折率差はライン電極３ａ〜３ｈと空気との屈折率差より通常小さいので、ライン電極３ａ〜３ｈによる光の回折を低減することもできる。但し、絶縁体層１９を物理的堆積法等の成膜方法を用いて形成した場合は、表面にライン電極３ａ〜３ｈの形状を反映した凹凸が存在してしまうことが多く、この凹凸部分と空気との屈折率差によって回折が生じるおそれがあるから、表面の凹凸を除去する必要がある。また、絶縁性材料の前駆体を含む溶剤を基板２に塗布し紫外線や熱によって硬化させて絶縁体層１９を形成すると、ライン電極３ａ〜３ｈに起因した凹凸の無い平坦な表面を得ることができる。さらに、絶縁体層１９を無機材料のみで形成すると、光偏向素子１１ａの耐久性を向上させることができる。

この光偏向素子１１ａの空気との界面には反射低減構造が形成されていることが望ましい。そこで図６（ａ）に示すように、絶縁体層１９の表面に絶縁体基板１６を接着層１７により接着し、絶縁体基板１６の表面に反射低減膜１８を形成すると良い。この場合は、接着層１７を形成する材料より絶縁体層１９を形成する材料の方がライン電極３に近い屈折率を持つことが多いため、回折低減の効果が高まるとともに空気との界面からの反射を低減することができる。また、図６（ｂ）に示すように、絶縁体層１９の表面に反射低減膜１８を直接成膜しても良い。このように絶縁体層１９の表面に反射低減膜１８を形成すると、光路内の界面の数が少なくなり、光偏向素子１１ａ内の界面における反射を低減することができる。さらに、図６（ｃ）に示すように、光偏向素子１１ａの空気との界面に例えば第１層２０１〜第４層２０４の多層反射低減構造２０を形成しても良い。この場合、多層反射低減構造２０の第１層２０１はライン電極３に近い屈折率を持つ材料で形成し、第２層２０２以降を第１層２０１の屈折率に基づいて最適化すれば良い。このように第１層２０１はライン電極３に近い屈折率の材料で形成することによりライン電極３による回折の影響を低減するとともに空気界面との反射も低減することができる。また、多層反射低減構造２０に余分な界面が存在しないために、内部における反射の影響も低減できる。

前記説明では、光偏向素子１１ａで２個の電界形成素子１を配置するとき、各電界形成素子１の電源７との接続部と抵抗膜１０は光偏向を行う領域を挟んで反対側になるように配置した場合について説明したが、各電界形成素子１の電源７との接続部と抵抗膜１０を、偏向を行う領域に対して同じ側に配置しても良い。この光偏向素子１１ａでは各電界形成素子１の電源７との接続部と抵抗膜１０を有する面と反対側の面に配向膜１４が形成され、各電界形成素子１の電源７との接続部と抵抗膜１０は液晶層１５とは反対側の外側に配置しているから、各電界形成素子１の電源７との接続部を、偏向を行う領域に対して同じ側に配置しても電圧を供給するための配線を容易に行うことができるからである。このように各電界形成素子１の電源７との接続部を同じ側に配置することにより、光偏向素子をより小型化することができる。

次に、光偏向素子１１や光偏向素子１１ａを使用した画像表示装置について説明する。画像表示装置３０の光学系は、図７の構成図に示すように、ＬＥＤランプを２次元アレイ状に配列した光源３１と、光源３１から出射した光の光路に沿って配置された拡散板３２とコンデンサレンズ３３と透過型液晶パネル３４と、光偏向素子１１又は光偏向素子１１ａを有する光偏向手段３５及び投射レンズ３６が順に配設されている。駆動手段は、光源３１を駆動する光源駆動制御部３７と、液晶パネル３４を駆動するパネル駆動制御部３８及び光偏向手段３５を駆動する光偏向駆動制御部３９及び主制御部４０を有する。

この画像表示装置３０でスクリーン４１に画像を投影するときは、光源駆動制御部３７で制御されて光源３１から出射された照明光は拡散板３２により均一化された照明光となりコンデンサレンズ３３に入射する。コンデンサレンズ３３に入射した光はコンデンサレンズ３３より、パネル駆動制御部３８で光源３１と同期して制御される液晶パネル３４をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル３４は入射した照明光を空間光変調して画像光として光偏向手段３５に入射し、この光偏向手段３５は入射した画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトして投射レンズ３６に入射する。投射レンズ３６は入射した光を拡大してスクリーン４１に投射する。

このようにして光偏向手段３５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スクリーン４１に表示させることにより、液晶パネル３４の見掛け上の画素数を増倍して表示することができる。この光偏向手段３５によるシフト量は液晶パネル３４の画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行うことにより、画素ピッチの１／２に設定される。このシフト量に応じて液晶パネル３４を駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することにより、画素数の少ない液晶パネル３４を用いても見掛け上高精細な画像を安定して表示することができる。

大きさ５ｃｍ×６ｃｍ、厚さ0.5ｍｍのガラス板を基板２とし、一方の面上の光路を含む領域にＩＴＯ導電膜を成膜した。ＩＴＯ膜の膜厚を約10ｎｍとしたところ、表面抵抗率は約180Ω／□であった。このＩＴＯ膜をエッチング処理して幅10μｍでピッチ100μｍのライン電極３を400本形成し、両端のライン電極３の一端には、電源との接続部を形成した。次に、ライン電極３の端部にＣｒ−ＳｉＯ膜で抵抗膜１０を形成し、図２に示すような電界形成素子１を形成した。この抵抗膜１０の電源接続部間の抵抗値は100ＭΩであった。この電界形成素子１を２枚形成し、ライン電極３が形成されていない面の表面を垂直配向剤で処理し、それらの面が向き合うように配置し、電界形成素子１の有効面積が４ｃｍ×４ｃｍになるように、接着剤に粒子径が50μｍのスペーサ１３を混入したもので両基板２を接着した。この２枚の電界形成素子１の基板２間に強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２９）を注入して光偏向素子１１ａを形成した。

この光偏向素子１１ａの入射面側に幅が５μｍのライン／スペースのマスクパターンを設け、このマスクパターンを通して直線偏光の向きがライン電極３の長手方向と同一の直線偏光で照明した。この光偏向素子１１ａを透過した光を顕微鏡で観察したところ、無電界時にはマスクパターンがそのまま観察された。そして両端のライン電極３の一方を接地し、他方に＋2000Ｖの電圧を印加したところ、マスクパターンがライン電極３の長手方向に約2.5μｍシフトして観察され、電気的に光路がシフトしていることが確認できた。また、ライン電極３に印加した電圧を−2000Ｖに切り替えたところ、マスクパターンは逆方向に約2.5μｍシフトして観察された。さらに、周波数60Ｈｚ、振幅±2000Ｖの矩形波電圧を印加したところ、ピーク対ピークで約5μmの光路シフトを確認でき、ライン／スペースの幅が５μｍであるため、あたかもラインとスペースの明暗が反転するように観察された。すなわち、幅５μｍのスペース部分をライトバルブのピクセルとすると、１つのピクセルが見かけ上２つのピクセルに増倍することを確認できた。この処理を有効領域全体にわたりる行い各測定点でシフト量を測った結果、シフト量の平均値は約５μｍで、ばらつきは10％以内であった。したがって有効領域全体の液晶層１５において、十分均一な略水平電界が形成できていることを示している。また、ライン電極３と液晶層１５の間には、誘電体である基板２が存在しており、これが電界の変調を抑制する効果を果たしており、誘電体層を別個に形成する必要はなく、簡単な構成で均一な電界を形成することができた。また、この光偏向素子１１ａを使用した投射画像におけるゴースト像が発生していた。

［比較例］ 実施例１で作製した電界形成素子１のライン電極３が形成されている面を垂直配向剤で処理した。それらの面が向き合うように２枚の電界形成素子１の基板２を配置し、接着剤に50μｍ粒子径のスペーサ１４を混入したもので両基板２を接着してその間に強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２９）を注入した。そして電界形成素子１の両端のライン電極３に周波数60Ｈｚ、振幅±2000Ｖの矩形波電圧を印加したところ、瞬時に液晶層１５が白濁し、光偏向素子としての機能は得られなかった。このように配向膜１４だけを介してライン電極３が液晶層１５に接しているため、液晶層１５に形成される電界は変調されており、局所的に様々な方向と大きさを持つ電界が加えられ液晶の配向が乱れて白濁したと考えられる。

実施例１と同じ電界形成素子１を２枚作製し、基板２のライン電極３が形成されていない面を垂直配向剤で処理した。また、２枚の大きさ５ｃｍ×５ｃｍ、厚さ0.5ｍｍのガラス板からなる絶縁体基板１６に対し、片方の表面に、表面に近い順にＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３とＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２の４層からなる反射低減膜１８を成膜した。これらのガラス板の反射低減膜１８が形成されていない面と、電界形成素子１の基板２の電極形成面とを電源接続部を露出した状態で厚さ10μｍの光学用ＵＶ接着剤で接着した。

この絶縁体基板１６を貼り合わせた２組の電界形成素子１の垂直配向処理が施されている面を向かい合わせ、接着剤に粒子径50μｍのスペーサ１３を混入したもので接着し、その間に強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２９）を注入して光偏向素子１１ａを作製した。この光偏向素子１１ａで実施例１と同様にして光路シフトを確認したところ、シフト量及び有効領域内におけるシフト量の均一性は実施例1と同様であった。

また、この光偏向素子１１ａを使用した投射画像におけるゴースト像は存在していたが、実施例1よりは目立たなかった。この光偏向素子１１ａに使用した電界形成素子１のライン電極３を形成しているＩＴＯの屈折率は、546ｎｍの波長の光に対し約1.8であり、ライン電極３間が屈折率1.55の接着剤によって充填されている。このためライン電極３が屈折率1.0の空気に露出していた実施例1の場合と比べてライン電極３と各ライン電極３間との屈折率差が小さく、回折の影響が低減されたと考えられる。

実施例１と同じ電界形成素子１を２枚作製し、基板２のライン電極３が形成されている面に酸化マグネシウムで厚さ100ｎｍの絶縁体層１９を成膜した。この絶縁体層１９の厚さはライン電極３の膜厚10ｎｍと比べて十分厚いため、絶縁体層１９の表面にはライン電極３の形状に対応した凹凸は観測されず平坦であった。この絶縁体層１９を形成した酸化マグネシウム薄膜は546ｎｍの波長の光に対してＩＴＯに極めて近い1.75の屈折率を有する。この絶縁体層１９の表面に屈折率が2.2の酸化チタンと屈折率が1.62の酸化アルミニウムをそれぞれ64ｎｍと84ｎｍの膜厚になるようスパッタで成膜した。この２層構造は、酸化マグネシウムと空気との界面による反射率が、波長546ｎｍの光に対して最も低くなるように選択した。

この電界形成素子１を使用して光偏向素子１１ａを作製し、光路シフトを確認したところ、シフト量及び有効領域内におけるシフト量の均一性は実施例１と同様であった。また、この光偏向素子１１ａを使用した投射画像におけるゴースト像は目視では判別できず、ライン電極３による回折を確実に低減できた。

実施例３に示すように、電界形成素子１に酸化マグネシウムで厚さ100ｎｍの絶縁体層１９を成膜することによりライン電極３間を埋めて表面を平坦化できることが明らかであるので、この絶縁体層１９反射低減膜１８の１層目として屈折率が1.75で膜厚が100ｎｍの条件のもとでパラメータの最適化を行ったところ、屈折率1.46の酸化アルミニウムを用いて厚さ89ｎｍの層を１層目の上に形成することで、図８に示すような波長依存性の反射率が得られることがわかった。一般的にガラス基板の反射率は４％であるので、この２層構造によって400ｎｍから800ｎｍのほぼ全ての波長領域において反射が低減され、この層の数を増やすことで更に反射率を低減することも可能である。

そこで実施例１と同じ電界形成素子１を２枚作製し、基板２のライン電極３が形成されている面に厚さ100ｎｍの酸化マグネシウム膜を成膜し、その上に厚さ89ｎｍの酸化アルミニウム膜を成膜した。この電界形成素子１を使用して光偏向素子１１ａを作製し、実施例1と同様にして光路シフトを確認したところ、シフト量及び有効領域内でのシフト量の均一性は実施例１と変わらなかった。また、投射画像におけるゴースト像は目視では判別できず、コントラストは実施例３の場合より幾分良かった。これは余分な界面からの反射が存在しないためと考えられる。

実施例４に示した光偏向素子１１ａを使用して、図７に示す画像表示装置２０を作製した。この画像表示装置３０の画像表示素子である液晶パネル３４として対角0.9インチＸＧＡ(1024×768ドット)のポリシリコンＴＦＴ液晶パネルを用いた。画素ピッチは縦横ともに約18μｍであり、画素の開口率は約50％である。コンデンサレンズ３３としてマイクロレンズアレイを設けて照明光の集光率を高める構成とした。光源３１にはＲＧＢ三色のＬＥＤ光源を用い、１枚の液晶パネル３４に照射する光の色を高速に切り替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。そして画像表示のフレーム周波数が60Ｈｚ、ピクセルシフトによる４倍の画素増倍のためのサブフィールド周波数が４倍の240Ｈｚとする。１つのサブフレーム内をさらに３色に分割するため、各色に対応した画像を720Ｈｘで切り替え、液晶パネル３４の各色の画像の表示タイミングに合わせて、光源３１の対応した色のＬＥＤ光源をオン／オフすることにより観察者にはフルカラー画像が見えるようにした。

光偏向素子１１ａはスペーサ１２の厚さを90μｍとして、光路シフト量が約９μｍになるように設定した。そして両端のライン電極３の電源接続部に±2000Ｖの矩形波電圧を印加できるようにした。この光偏向素子１１ａを２枚用い、入射側を第１の光偏向素子、出射側を第２の光偏向素子とし、互いの電極の方向が直交し、液晶パネル３４の画素の配列方向に一致するように配置した。さらに、第１の光偏向素子と第２の光偏向素子の間に偏光面回転素子を設け、偏光面回転素子により第１の光偏向素子からの出射光の偏光面が９０度回転し、第２の光偏向素子の偏向方向に一致するようにした。

この画像表示装置３０で第１の光偏向素子と第２の光偏向素子を駆動する矩形波電圧の周波数を120Ｈｚとし、第１の光偏向素子と第２の光偏向素子の縦と横の位相を90度ずらして、４方向に画素シフトするように駆動タイミングを設定した。そして液晶パネル３４に表示するサブフィールド画像を240Ｈｚで書き換えることにより、縦横２方向に見かけ上の画素数が４倍に増倍した高精細画像を表示できた。

この発明の電界形成素子の構成図である。 他の電界形成素子の構成を示す平面図である。 この発明の光偏向素子の構成図である。 第２の光偏向素子の構成図である。 第３の光偏向素子の構成を示す断面図である。 他の光偏向素子の構成を示す断面図である。 この発明の画像表示装置の構成図である。 光の波長に対する反射率の変化特性図である。

符号の説明

１；電界形成素子、２；基板、３；ライン電極、４；抵抗、５；抵抗体、
６；分割区間、７；電源、８；変調電界、９；均一電界、１０；抵抗膜、
１１；光偏向素子、１２；基板、１３；スペーサ、１４；配向膜、１５；液晶層、
１６；絶縁体基体、１７；接着層、１８；反射低減膜、１９；絶縁体層、
２０；多層反射低減構造、３０；画像表示装置、３１；光源、３２；拡散板、
３３；コンデンサレンズ、３４；透過型液晶パネル、３５；光偏向手段、
３６；投射レンズ、３７；光源駆動制御部、３８；パネル駆動制御部、
３９；光偏向駆動制御部、４０；主制御部、４１；スクリーン。

Claims (8)

1. 基板と複数ライン電極及び抵抗体を有し、前記基板は誘電体で形成され、前記複数のライン電極は、前記基板の一方の表面に形成され、前記抵抗体は直列に接続された複数の抵抗を有し、両端は前記基板の両端部に形成されたライン電極に接続され、前記基板は前記ライン電極を外側にして対向されていることを特徴とする電界形成素子。
2. 基板と複数ライン電極及び抵抗体を有し、前記基板は平板状の誘電体で形成され、前記複数のライン電極は、前記基板の一方の表面に平行に形成され、前記抵抗体は前記複数のライン状電極の端部表面に沿って位置し、前記基板は前記ライン電極を外側にして対向されていることを特徴とする電界形成素子。
3. 前記基板の厚さは、0.1ｍｍ〜１ｍｍである請求項１又は２に記載の電界形成素子。
4. 前記基板を透明な誘電体で形成し、前記複数のライン電極を透明な材料で形成した請求項１乃至３のいずれかに記載の電界形成素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電界形成素子を有し、前記基板間にキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層を有することを特徴とする光偏向素子。
6. 前記電界形成素子の前記ライン電極が形成された面に、透明な絶縁体を設けた請求項５に記載の光偏向素子。
7. 前記絶縁体の表面に少なくとも１層の反射低減構造体を有する請求項６記載の光偏向素子。
8. 請求項５乃至７のいずれかに記載の光偏向素子を有する画像表示装置であって、
   画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が２次元的に配列した画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する照明光学系と、前記光偏向素子と、前記画像表示素子から出射された画像光を偏向して投影する投影光学系とを有し、前記光偏向素子が前記画像表示素子と投影光学系との間に設けられたことを特徴とする画像表示装置。

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