JP2008096775A - 光偏向装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、従来に比べて格段に低電圧で、光偏向素子の偏向方向を素子面内の所定方向に順次変化できる光偏向装置及び画像表示装置を提供する。
【解決手段】 本発明の光偏向装置（１０）は、光偏向素子と電圧制御手段を有している。そして、光偏向素子は、透明な一対の基板（１１）と、基板間に分割して充填された自発分極の極性が異なる２種類以上のホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相からなる液晶層（１３）と、この液晶層のそれぞれに電界を印加するための複数の電極（１４）とを具備している。また、電圧制御手段（１５）は、光偏向素子の各電極の電圧を、個別に３値以上の水準に電圧を設定している。
【選択図】 図１

Description

本発明は光偏向装置及び画像表示装置に関し、詳細には電気信号によって光の方向を変える光偏向装置、及び当該光偏向装置を利用したプロジェクション型の画像表示装置に関する。

従来のプロジェクション型の画像表示装置としては、線順次駆動の液晶表示パネルの光軸に対して傾けて配置されたダイクロイックミラーと光偏向素子とを備えたものがいくつか提案されている。その一つとして、特許文献１には、行列状に配列された複数の画素領域を１行又は複数行ごとに駆動する線順次駆動方式で駆動される液晶表示手段に同期して駆動されて液晶表示手段からの光の光路をシフトさせる光偏向素子と、光路シフトされた光を偏光分離する偏光分離手段とが隣接し、かつ光偏向素子と液晶表示手段が隣接するよう、偏光分離手段と液晶表示手段との間に光偏向素子を配置した表示装置が提案されている。
特開２００６−１８４４８９号公報

ところで、２つのサブフレームを用いた光偏向素子により縦方向の解像度を２倍にできるが、線順次駆動のライトバルブを用いたプロジェクションディスプレイに光偏向技術を応用する際、光偏向素子をライトバルブに近接配置し、ライトバルブの書き換えに同期して光偏向素子が行う偏向方向を素子面内の所定方向に順次変化させることが望ましい。この場合、光偏向素子の駆動電圧が高いとライトバルブに電気的に影響する可能性があるため、低電圧駆動させる必要がある。

そのため、上記特許文献１によれば、駆動電圧が高電圧のためライトバルブに影響する可能性がある。例えば、光偏向素子の液晶に印加する電界強度を１００Ｖ／ｍｍとし、光偏向素子の幅を２０ｍｍとした場合、必要電圧は２ｋＶとなる。

本発明はこの問題点を解決するためのものであり、従来より格段に低電圧で、光偏向素子の偏向方向を素子面内の所定方向に順次変化できる光偏向装置及び画像表示装置を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の光偏向装置は、光偏向素子と電圧制御手段を有している。そして、光偏向素子は、透明な一対の基板と、基板間に分割して充填された自発分極の極性が異なる２種類以上のホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相からなる液晶層と、この液晶層のそれぞれに電界を印加するための複数の電極とを具備している。また、電圧制御手段は、光偏向素子の各電極の電圧を、個別に３値以上の水準に電圧を設定している。よって、従来に比べて低電圧化が可能となり、ライトバルブに近接配置しても放電や電磁ノイズでライトバルブに損傷を与えることがなく、更に画像にノイズを重畳させないとともに、電源やケーブル等の放電対策を簡略化でき、かつ信頼性を向上させることができる。

また、液晶層のそれぞれが１列に配列された構成をなし、各液晶層の境界部である液晶境界部が直線状でかつ平行であるが好ましい。更には、互いに隣接する液晶層の極性は異なり、かつ液晶層には、互いに隣接する液晶層の常光屈折率、異常光屈折率及びコーン角が等しいキラルスメクチックＣ液晶が充填される。よって、各液晶層に均一に横電界を印加でき、また電界によって定まる液晶の配向方向が均一な方向をとり、かつその時の常光屈折率及び異常光屈折率が等しいため、液晶面内全体で均一な光シフトが得られ、さらに回折光を回避できる。

更に、電極が液晶境界部に沿って設けられるライン状の電極であることにより、１つの電極で電極両側の液晶に均一に横電界を印加できる。

また、電極から液晶層に印加される電界の方向が、所定時間毎に、各液晶層の配列に沿って順次反転することにより、低電圧で光偏向素子の偏向方向を順次切り替えることができる。また、ライトバルブとの組み合せはプロジェクターやヘッドマウントディスプレイでの利用が想定できるが、例えば携帯端末における液晶ディスプレイでも同様の効果が得られる。ＰＤＡや携帯電話等の携帯端末のように電源が限られている装置においても、低電圧駆動が可能となり、適用可能となる。

更に、液晶層の配列数をｎ（ｎは２以上の正の整数）列、ｎ列中のｍ番目の液晶層をＬｃｍ（ｍは正の整数、１≦ｍ≦ｎ）、Ｌｃｍの両端のライン電極の電圧をＶｍ、Ｖｍ＋１、所定時間Ｔを２ｎ分割した時の各分割時間をｔ（ｋ）（ｔ（ｋ）＝ｔ（１），ｔ（２），・・・，ｔ（２ｎ）：ただし、ｔ(１)は液晶が全て同方向を向いた状態）としたとき、ｔ(ｋ)の切り替えに同期し、電位差ΔＶ（Ｌｃｍ）（＝Ｖｍ＋１−Ｖｍ）の大きさ｜ΔＶ（Ｌｃｍ)｜を保った状態でＶｍ、Ｖｍ＋１を切り替え、かつｔ（ｍ）及びｔ（ｍ＋ｎ）直後にΔＶ（Ｌｃｍ）の符号を反転させる。よって、低電圧で光偏向素子の偏向方向を順次切り替えることができる。

また、液晶層に印加される電界強度が、キラルスメクチックＣ相の螺旋構造が消失する飽和電界以上であることにより、液晶層内の液晶分子が同一方向にそろい良好な光偏向が達成できる。

更に、液晶層内にライン状の電極間の電圧をリニア補間する複数の副ライン電極を有することにより、液晶領域内の電界の均一化が図れ、良好な光路偏向が得られる。

また、液晶層内にライン状の電極間の電圧をリニア補間する透明抵抗膜を有することにより、微細パタニングが不要であるため低コストで実現できると共に、副ライン電極で発生する可能性のある回折ロスがないため、光利用効率を向上させることが可能であり、回折による画像劣化も生じない。

更に、別の発明としての画像表示装置は、少なくとも、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てなり、線順次的に画像を書き換えるライトバルブと、ライトバルブを照明する光源と、ライトバルブ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毎にライトバルブと光学部材の間の光路を偏向する上記光偏向装置とを有している。そして、光偏向装置の各液晶層の光偏向方向をライトバルブの線順次書き換えに同期して切り替え、ライトバルブの見かけ上の画素数を増倍して表示する。よって、高精細画像が得られるとともに、低電圧で光偏向させることが可能な光偏向素子を用いることで、画像表示装置内の電源への負荷を低減すると同時に、電圧スイッチング時の電磁ノイズを低減させることができるため当該画像表示装置の周辺に設置された機器への影響を低減させることが可能となる。

また、サブフィールド時間をtsf、光偏向装置の前記液晶層の分割をｎ（ｎは２以上の正の整数）等分とし、分割時間ｔ（ｋ）をｔ（ｋ）＝tsf／ｎに設定することが好ましい。

本発明によれば、従来に比較して格段に低電圧で、光偏向素子の偏向方向を素子面内の所定方向に順次変化できる光偏向装置を提供できる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る光偏向装置の構成を示す斜視図である。同図に示す本実施の形態の光偏向装置１０は、１対の透明基板１１と、１対の透明基板１１の内面側に形成された配向膜１２と、その内面に充填されたキラルスメクチックＣ相からなる強誘電の液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、各液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃに電界を印加するための電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、各液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの個別に３値以上の水準に電圧を設定するために各電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに接続された電圧制御手段１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと、各電圧制御手段１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに等しいタイミングで電圧を変化させるためのタイミング信号を供給する同期信号源１６とを含んで構成されている。なお、液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの自発分極は、液晶層１３ａと液晶層１３ｃが同極性（マイナス）であり、液晶層１３ｂがこれらと逆極性(プラス)となるように設定されている。液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、それぞれ透明基板１１に平行な方向に分割されている。また、液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃは隣接する液晶層と極性が相違するように配置されている。

このような構成を有する本実施の形態の光偏向装置１０において、分割して液晶が充填される各液晶層は六つの四角形で囲まれた立体、例えば長方体や立方体であり、液晶層透明基板面側から見ると１列に配列されている。更に、隣接する液晶層には、極性が異なり常光屈折率、異常光屈折率及びコーン角の等しいキラルスメクチックＣ液晶が充填されている。よって、常光屈折率、異常光屈折率が等しいことで、分子長軸方向が各液晶層で一致している場合において等しい光偏向が得られ、回折を抑止できる。液晶層を隔絶するための構造については後述する。

図２は図１の液晶層の液晶配向を示す概略図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。なお、同図では配向膜やガラス基板は省略し、電極と液晶層のみを示している。電極からは隣り合う液晶層毎に異なる方向の電界が発生しており、電界の方向を矢印２１ａ，２１ｂ，２１ｃで示している。液晶層１３ａ，１３ｃは負（マイナス）の自発分極を有する液晶層であり、液晶層１３ｂは正（プラス）の自発分極を有する液晶層である。同図に示すように、自発分極の方向は電界方向に依存しており、自発分極の極性が異なることから、同図の場合液晶分子はいずれの場合も同じ方向(図２では右上がりの方向)に傾斜している。電界を反転させれば液晶分子の方向も反対(右下がり)を向く。この際電界の大きさとしては、キラルスメクチックＣ相の螺旋構造が消失する飽和電界以上である時に、分子長軸が均一な方向を取ることが可能となり、全域に渡って良好な光偏向を得ることが可能となる。入射光は直線偏光であり偏光方向は図中上下の矢印に示すとおり上下方向であって（以後同様に偏光方向については上下あるいは左右の矢印で入射光に重ねて示す）、その偏光方向は電界方向に略直交するように設定される。

図２において、直交座標系を図示する通りに取ったとき、液晶内のＸＺ断面において図３の（ａ）に示すとおり液晶分子は、その電界方向によって第１の配向状態または第２の配向状態のいずれかの状態をとって分布する。図３の（ａ）に示す角度θは液晶回転軸からの液晶分子の傾き角であり、図３の（ｂ）に示すようにコーン角の１／２に相当する（以後、単に傾き角と称す）。液晶の自発分極Ｐｓが負（マイナス）であり＋Ｙ方向に電界Ｅがかかっているものとすると、液晶ダイレクタは液晶回転軸が略基板垂直方向であるためＸＺ面内において右上がり（図３の（ｂ）中の第１の配向状態）に向く。液晶の自発分極Ｐｓが正（プラス）であり、−Ｙ方向に電界Ｅがかかっているときも、同様に、液晶ダイレクタは液晶回転軸が略基板垂直方向であるためＸＺ面内において右上がり（図３の（ｂ）中の第１の配向状態）になる。

以上のように異なる極性の液晶とこれを駆動する電界を制御することで、液晶分子を同方向に揃えることが可能となり、素子全域に渡り均一な光路シフトが実現する。

この光偏向素子に配置される電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、基板面内方向、つまり基板面と平行な方向に電界が発生するように各液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの境界部(液晶境界部)に沿って設けられるライン状の電極である。また、各電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに設定する電圧を選ぶことで、図２の矢印２１ａ，２１ｂ，２１ｃに示すように各液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃに個別に異なる方向、大きさの電界を印加することが可能となる。例えば電極間距離を均等にとり、電極１４ａ、１４ｃに同電圧（Ｖ＋）、電極１４ｂ、１４ｄにはこれらと絶対値が等しく極性の異なる電圧（Ｖ−）を印加することで、図４の（ａ）に示すとおり液晶層１３ａと１３ｃにはほぼ同等の電界が印加され、液晶層１３ｂにはこれと反対方向の電界が印加される。液晶層を従来同様単一の自発分極の層とし、これに均一な液晶の傾き角を得るための電界を印加する場合は、図４の（ｂ）に示すように３倍の電圧を加える必要があるため、本発明における低電圧化の効果は極めて大きい。図４において、電位を示す実線が直線とはならないのは、液晶を挟む電極が理想的な面積無限大の平行平板ではないことによる。この状態から、所定時間毎に電界印加方向を切り替えることで、図３の（ｂ）に示す２方向の光偏向を行うことが可能となる。この際、図５に示す通り印加電圧を単純に逆転させた場合、電界方向（図中の電位を示す実線及び波線の傾き）を実線と破線との間で交互に反転させることができ、液晶分子スイッチング及び光偏向の方向を一括反転させることができる。ここでは、線順次駆動のライトバルブに対応させるため、液晶層１３ａ，１３ｂ，１３ｃをこの順に順次反転させるための印加電圧の切替えについて以下に説明する。

図６は本発明における光偏向状態変化を示す図である。同図に示す光偏向状態変化は図２の光偏向素子を入射光側から見たものであり、図の上部にその時の電位を示す。なお、図中の矢印２１ａ，２１ｂ，２１ｃは図２と同様、電界方向を示す。また、三角印２２ａ，２２ｂ，２２ｃは液晶分子の傾き方向を示し、入射光方向から液晶分子を見て、出射光側の液晶分子先端の方向を三角形の頂角方向で表す。つまり、図６の（ａ）の頂角を上に向けた三角形は図３の（ｂ）の第１の配向状態を示しており、図６の（ｂ）の頂角を下に向けた三角形は図３の（ｂ）の第２の配向状態を示す。図２と同様に液晶分子の方向は全て同一方向を取っている。図５では電位を曲線で示しているが、ここでは直線で示している。曲線を直線に補正する手段については後述する。電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの電圧はそれぞれ０、−Ｖ、０、−Ｖに設定されている。図６の（ｂ）は図６の（ａ）から電界方向２１ａを反転させ、液晶分子の方向を切り替えた様子を示す。この時それぞれの電極電圧は０→−Ｖ［電極１４ａ］、−Ｖ→０［電極１４ｂ］、０→Ｖ［電極１４ｃ］、−Ｖ→０［電極１４ｄ］と変化させている。図６の（ｃ）から図６の（ｆ）も同様に、各電極電圧を−Ｖ、０、Ｖの３値の水準から選ぶことでそれぞれ電界方向を変化させ、液晶を液晶層１３ｂ→液晶層１３ｃ→液晶層１３ａ→液晶層１３ｂ・・・の順で順次反転させている。

また、液晶層の配列数をｎ（ｎは２以上の正の整数）列、ｎ列中のｍ番目の液晶層をＬｃｍ（ｍは正の整数、１≦ｍ≦ｎ）、Ｌｃｍの両端のライン電極の電圧をＶｍ、Ｖｍ＋１、所定時間Ｔを２ｎ分割した時の各分割時間をｔ（ｋ）（ｔ（ｋ）＝ｔ（１），ｔ（２），・・・，ｔ（２ｎ）、ただし、ｔ（１）は液晶が全て同方向を向いた状態）とすると、ｔ（ｋ）の切り替えに同期し、電位差ΔＶ（Ｌｃｍ）（＝Ｖｍ＋１−Ｖｍ）の大きさ｜ΔＶ（Ｌｃｍ）｜を保った状態でＶｍ、Ｖｍ＋１を切換え、かつｔ（ｍ）及びｔ（ｍ＋ｎ）直後にΔＶ(Ｌｃｍ)の符号を反転させることで、上記同様、液晶層の液晶を順次反転させることができる。

更に、下記の表１にはｎ＝３の場合の例を示す。表１において第１列（（ａ），（ｂ）・・・）は、図６の図番号（ａ），（ｂ）・・・の状態に対応する。（ｆ）の後は（ａ）の状態に戻る。ｔ（ｋ）はｔ(１)からｔ(６)まで変化し、ｔ（６）後またｔ（１）を取る。例えば、ｍ＝１の場合、ｔ（１）及びｔ（４）の直後にΔＶ（Ｌｃ１）の符号が反転し、ｍ＝２の場合、ｔ（２）及びｔ（５）の直後にΔＶ（Ｌｃ２）の符号が反転するように設定されていることが確認できる。

また、用いる液晶が自発分極の異なる２種類の液晶のみで、かつそれらの飽和電界強度が同等であれば、ライン電極間距離を等しく設定でき、電極に印加する電圧値も３値の水準だけで良いため、電源構造を簡易化できる。飽和電界強度が等しくない場合であっても、例えば飽和電界強度がより高い液晶に対してはライン電極間距離を狭めることで同じ電位差であっても発生電界を高めることが可能であるため、やはり３値の水準の電圧で制御することが可能となる。いずれの場合においても、液晶に印加する電界強度は、キラルスメクチックＣ相の螺旋構造が消失する飽和電界以上であることが均一の光偏向を発生させるために必要である。

更に、各ライン電極の電位や電極間距離は、液晶の種類毎に変化させても良い。すなわち、液晶領域両側のライン電極の電位とライン電極間距離が液晶層内における電界分布を支配的に決定するため、液晶の種類に応じて、これらの組合せを適宜定めれば良い。

また、各液晶には、異なる方向の電界を等しい時間印加することで、電気的に中和させることが可能となるため、いわゆる焼付き現象を防ぐ効果がある。

スメクチック液晶は液晶分子の長軸方向が層状に配列してなる液晶分子であり、上記層の法線方向（層法線方向）と液晶分子長軸方向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キラルスメクチックＣ相と呼んでいる。キラルスメクチックＣ相の液晶は、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相の反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最配列することで光学特性が制御される。ここでは強誘電性液晶を例にとり光学素子の説明を行うが反強誘電性液晶も同様に使用することができる。

そして、キラルスメクチックＣ相の液晶の構造は、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、結合部、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。

ホメオトロピック配向のための配向法としては、従来より行われている方法を適用することができる。すなわち、ずり応力法、磁場配向法、温度勾配法、ＳｉＯ斜法蒸着法、光配向法等が挙げられる。

また、キラルスメクチックＣ相は、スメクチックＡ相やネマチック液晶に比較して極めて高速な応答性を有しており、サブｍｓ（ミリセック）でのスイッチングが可能である。特に、電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、スメクチックＡ液晶に比べダイレクタ方向制御が容易であり扱いやすい。

次に、これに光を透過させる場合の光シフトについて図３を用いて説明する。ここで、液晶の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとすると、入射光として、偏光方向をＹ軸方向にもつ直線偏向を選びＸ軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶内で常光として屈折率ｎｏを受け直進し図３中の矢印ａに示す方向に進む。すなわち、光偏向は受けない。一方、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶ダイレクタ方向及び屈折率ｎｏ，ｎｅの両者から求められる。より詳しくは屈折率ｎｏ，ｎｅを主軸にもつ屈折率楕円体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、ここでは詳細は省略する。光は屈折率ｎｏ，ｎｅ及びダイレクタ方向θに対応した偏向を受け、図３中の矢印ｂ（第１の配向状態の場合）に示す方向にシフトする。ここで液晶の厚み(ギャップ)をｄとするとき光偏向量Ｓは以下の式で表される。

Ｓ＝[(１／no)^２-(１／ne)^２]sin(２θ・d)／[２((１／ne)^２sin２θ＋(１／no)^２cos２θ)]

電界方向を反転させた時、液晶ダイレクタは図３においてＸ軸を中心とした線対称の配置（第２の配向状態）を取り、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は図３中の矢印ｂ’に示す通りとなる。

従って、この直線偏光に対して、電界方向を制御することで矢印ｂとｂ’の２位置、すなわち２Ｓの光偏向が可能となる。液晶材料の代表的物性値（ｎｏ＝１．６、ｎｅ＝１．８）に対して得られる光偏向量について光偏向量Ｓを計算した結果を図７に示す。θ＝４５°付近が最も光偏向量が大きい。仮に液晶ダイレクタの傾き角(コーン角／２)が２２．５°のとき、２・Ｓ＝５(μｍ)の光偏向量を得るためには、ここに示されるとおり液晶の厚みを３２μｍ厚に設定すれば良い。

用いる液晶の種類は、極性の異なる液晶を組合せれば制約はないが、図４の（ａ）及び図５の液晶層１３ａ，１３ｃに示すように電界の大きさ、方向がほぼ同じであれば、これらの位置に充填する液晶としては同じ材料が好適に使用できる。液晶層１３ｂには、液晶層１３ａ，１３ｃとは極性が異なる液晶であることが必要条件であるが更に光偏向量を均一化するため、液晶層１３ａ，１３ｃとコーン角が同等であることが望ましい。この場合、極性の異なる２種類の液晶を交互に設けることで、大面積の光偏向素子を、製造工程を煩雑にすることなく製造することが可能となる。

図８は本発明の第２の実施の形態に係る光偏向装置の構成を示す部分斜視図である。同図に示すように、２種の液晶からなる液晶層３１，３２をストライプ状に配列させ、その間隔を５Ｖの電圧印加に対して駆動可能となるように設定することで、ＴＴＬ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｌｏｇｉｃ）レベルでの制御が可能となる。例えば４０ｍｍの幅を４ｋＶの駆動電圧で駆動が必要であるが、この間隔を５０μｍとすることでＴＴＬレベルでの駆動が可能となる。その場合の駆動スキムは図６に示すものが使用できる。また、間隔を狭めるほどライトバルブの線順次駆動と光偏向素子のタイミングずれを低減できる。ただし、液晶領域の境界が増えることで光利用効率低下、コントラスト低下等の不具合が増加しやすくなるため、適切な幅を定めるものとする。

ここで、液晶分子の傾き角が２２．５°、すなわちコーン角が４５°付近の強誘電性液晶材料として、自発分極が正のものとして、ＦＥＬＩＸ−０１８／０００（clariant社）、負のものとしてＣＳ１０２９(チッソ社)などがあり、ここでの場合液晶層１３ａ，１３ｃに後者を、液晶層１３ｂに前者を用いることで光偏向素子を構成することができる。

更に、隣接する液晶層を隔絶するため、少なくとも一方の基板表面には液晶の境界を得るための突起が形成されている。この突起は、基板がガラス材料である場合は表面を直接フォトリソ、熱転写等の技術によって加工でき、プラスチック材料の場合は、それらの技術に加え、射出成形する際のスタンパ表面に所定形状を形成しておきこれを転写することによっても得ることもできる。突起の表面には、図１のライン状の電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが形成されている。このライン状の電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、基板表面の液晶が充填される部分をマスクした状態で突起部に相当する部分のみＩＴＯ、Ａｌなどの導電性材料をスパッタ法などで形成することで得られる。ＩＴＯの場合は透明であるため、光利用効率の低下を抑えられまた周期構造にともなう回折などを抑えられる。一方、Ａｌの場合は突起部に入射する光を吸収するため、光偏向しない成分の光、すなわちノイズ光の出射を抑えることが可能となる。

なお、本発明の光偏向装置における光偏向素子の作製にあたっては、突起部を介して両基板を密着させ必要ギャップを確保するため、突起部の中にスペーサを混入しても良い。空セルに対してそれぞれの液晶を充填するには注入対象となる部分以外を封止した状態で個別に毛管法、真空注入法などの従来技術を用いて用意すれば良い。また、ＯＤＦ（Ｏｎｅ Ｄｒｏｐ Ｆｉｌｌ）法により液晶を充填してから基板を貼り合せる方法を採用しても良い。この場合、前二者の方法に比べてより短時間で微細な幅の液晶領域に液晶を注入することが可能となる。

図９は本発明の第３の実施の形態に係る光偏向装置の構成を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は断面図である。図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図において、ライン状の電極群は、境界と重なる位置に設けられてなる境界部ライン電極４１と、隣接する境界部ライン電極間を複数に分割する複数の副ライン電極４２とを含んで構成されている。副ライン電極４２は、境界部ライン電極４１の電位を補間（すなわち電圧をリニア補間）し、この間の電界を均一にさせるために設けられている。境界部ライン電極４１と副ライン電極４２の電位は、所望の抵抗値を有する抵抗体４３を接続することで容易に電位補間することができる。副ライン電極４２は透明基板１１にＩＴＯ等、透明電極として形成するのが光利用効率を低下させない点から好ましい。この場合、ライン状の電極群と液晶層の間に誘電体層を設けてもよい。境界部ライン電極４１のそれぞれは図１同様に電圧制御手段１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに各々接続されている。この副ライン電極４２の作用により図１０に示すように均一な電界が得られるようになる。

図１１は本発明の第４の実施の形態に係る光偏向装置の構成を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は断面図である。図９と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図において、ライン状電極群に加え、ライン状の電極に接し液晶領域全体を覆うように透明抵抗膜５１が設けられている。この透明抵抗膜５１は、ライン状電極の電位を補間（すなわち電圧をリニア補間）し、この間の電界を均一にさせるために設けられている。透明抵抗膜５１を採用することで、図９の副ライン電極４２と同様の効果が得られるが微細パタニングが不要であるため低コストで実現できるメリットがある。この副ライン電極の作用により図１０に示すのと同様な均一電界が得られるようになる。

以下、本発明の光偏向技術を利用した別の発明の画像表示装置について説明する。ここでいう光偏向技術とは、少なくとも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、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毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、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技術のことである。従って基本的には上記した光偏向素子を光偏向手段として応用することが可能である。

図１２は別の発明の一実施の形態に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図に示す本実施の形態の画像表示装置６０は、ＬＥＤランプを２次元アレイ状に配列した照明光源６１と、拡散板６２と、コンデンサレンズ６３と、画像表示素子としての透過型の液晶パネル６４と、投射レンズ６５と、スクリーン６６と、光源ドライブ部６７と、透過型の液晶パネル６４のドライブ部６８と、上述した本発明の光偏向装置よりなる光偏向手段６９と、光偏向手段６９の同期信号源７０とを含んで構成されている。同期信号源７０は、液晶パネル６４と同期をとるために液晶パネル６４のドライブ部６８と接続されている。光源ドライブ部６７で制御されて照明光源６１から放出された照明光は、拡散板６２により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ６３によりドライブ部６８で照明光源６１と同期して制御されて透過型の液晶パネル６４をクリティカル照明する。この液晶パネル８４で空間光変調された照明光は、画像光として光偏向手段６９に入射し光偏向手段６９によって画像光が画素の配列方向にシフトされる。この光は投射レンズ６５で拡大されスクリーン６６に投射される。シフト量は画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行うことから画素ピッチの１／２に設定される。シフト量に応じて液晶パネル６４を駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することで、見かけ上高精細な画像を表示することができる。光偏向手段６９は前述の各実施の形態のものを選んで使用することができる。光偏向素子を通過する光が排除されることなく光偏向素子を通過するためには、光偏向素子としては、液晶パネルの面積、液晶パネルからの距離、光の広がり角から求められるサイズ以上の大きさが必要である。仮に、このサイズを４０ｍｍとし光偏向素子を駆動するための電界が１００Ｖ／ｍｍであるとすると、従来構成の光偏向素子では４０００Ｖの電位差が必要であったが、本発明の光偏向装置を用いることで、４０００Ｖ／ｎ（ｎは液晶領域数）に低減できる。例えば図１、図６〜図１１に示すように３分割すると１３３３Ｖに低減できる。従って、画像表示装置内の電源への負荷を低減すると同時に、電圧スイッチング時の電磁ノイズを低減させることができるため周辺機器への影響を低減させることが可能となる。

図１３は線順次駆動のライトバルブに同期して３分割の光偏向素子を駆動させる様子を示す概略図である。同図に示すように、ライトバルブ７１の走査線は上方向から下方向に向け順次書き換わっていく。光は図中左から右に進行する。サブフィールドは２つ（第１サブフィールド７２、第２サブフィールド７３）を想定している。光偏向素子７４は第１サブフィールド７２の場合、紙面手前方向（光線を示す矢印では便宜上紙面上方向）、第２サブフィールド７３の場合紙面奥方向（同下方向）に光を偏向させる。図１３の（ａ）に示す状態では、ライトバルブ７１は全ての走査線が第１サブフィールド７２を表示しており、光は全て手前に光偏向している。図１３の（ｂ）に示す状態において、ライトバルブ７１の全体の約１／３の走査線が第２サブフィールド７３の情報に書き換わっており、このタイミングで上側の液晶領域が偏向方向を切り替える。図１３の（ｃ）に示す状態では、ライトバルブ７１の全体の約２／３の走査線が書き換わっており、このタイミングで中間の液晶領域が偏向方向を切り替える。図１３の（ｄ）に示す状態ではライトバルブ７１の走査線が全て第２サブフィールド７３の情報に書き換わっており、このタイミングで下側の液晶領域が偏向方向を切り替え、偏向方向も全て奥側になる。図１３の（ｅ）の状態において、ライトバルブ７１の全体の約１／３の走査線が、次のフィールドにおける第１サブフィールド７２の情報に書き換わっており、このタイミングで上側の液晶領域が偏向方向を切り替える。

ここで、ライトバルブの走査線の書換速度はほぼ等しいので、サブフフィールド時間をtsfとするとき、光偏向素子の液晶領域分割をｎ等分するのであれば分割時間ｔ（ｋ）はｔ（ｋ）＝tsf／ｎに設定することで、線順次ライトバルブに対応した良好な光偏向が得られる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係る光偏向装置の構成を示す斜視図である。 図１の液晶層の液晶配向を示す概略図である。 液晶配向と光偏向の関係を示す模式図である。 光偏向素子の電位変化を示す特性図である。 光偏向素子の電位変化を示す特性図である。 本発明における光偏向状態変化を示す図である。 液晶傾斜角（傾き角またはコーン角／２）と光(光軸)シフト量の関係を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光偏向装置の構成を示す部分斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光偏向装置の構成を示す図である。 図８の光偏向装置における光偏光素子の電位変化を示す特性図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光偏向装置の構成を示す図である。 別の発明の一実施の形態に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。 線順次駆動のライトバルブに同期して３分割の光偏向素子を駆動させる様子を示す概略図である。

符号の説明

１０；光偏向装置、１１；透明基板、１２；配向膜、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ；液晶層、
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ；電極、
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ；電圧制御手段、
１６；同期信号源、３１，３２；液晶層、
４１；境界部ライン電極、４２；副ライン電極、
５１；透明抵抗膜、６０；画像表示装置、６１；照明光源、
６２；拡散板、６３；コンデンサレンズ、６４；液晶パネル、
６５；投射レンズ、６６；スクリーン、６７；光源ドライブ部、
６８；ドライブ部、６９；光偏向手段、７０；同期信号源、
７１；ライトバルブ、７２；第１サブフィールド、
７３；第２サブフィールド、７４；光偏向素子

Claims (11)

1. 透明な一対の基板と、基板間に分割して充填された自発分極の極性が異なる２種類以上のホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相からなる液晶層と、該液晶層のそれぞれに電界を印加するための複数の電極とを具備する光偏向素子と、
   該光偏向素子の各電極の電圧を、個別に３値以上の水準に電圧を設定する電圧制御手段と
   を有することを特徴とする光偏向装置。
2. 前記液晶層のそれぞれが１列に配列された構成をなし、前記各液晶層の境界部である液晶境界部が直線状でかつ平行であることを特徴とする請求項１記載の光偏向装置。
3. 互いに隣接する前記液晶層の極性は異なり、かつ前記液晶層には、互いに隣接する前記液晶層の常光屈折率、異常光屈折率及びコーン角が等しいキラルスメクチックＣ液晶が充填されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光偏向装置。
4. 前記電極が、前記液晶境界部に沿って設けられるライン状の電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光偏向装置。
5. 前記電極から液晶層に印加される電界の方向が、所定時間毎に、各液晶層の配列に沿って順次反転することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光偏向装置。
6. 前記液晶層の配列数をｎ（ｎは２以上の正の整数）列、ｎ列中のｍ番目の液晶層をＬｃｍ（ｍは正の整数、１≦ｍ≦ｎ）、Ｌｃｍの両端のライン電極の電圧をＶｍ、Ｖｍ＋１、所定時間Ｔを２ｎ分割した時の各分割時間をｔ（ｋ）（ｔ（ｋ）＝ｔ（１），ｔ（２），・・・，ｔ（２ｎ）：ただし、ｔ(１)は液晶が全て同方向を向いた状態）としたとき、ｔ(ｋ)の切り替えに同期し、電位差ΔＶ（Ｌｃｍ）（＝Ｖｍ＋１−Ｖｍ）の大きさ｜ΔＶ（Ｌｃｍ)｜を保った状態でＶｍ、Ｖｍ＋１を切り替え、かつｔ（ｍ）及びｔ（ｍ＋ｎ）直後にΔＶ（Ｌｃｍ）の符号を反転させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光偏向装置。
7. 前記液晶層に印加される電界強度が、キラルスメクチックＣ相の螺旋構造が消失する飽和電界以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光偏向装置。
8. 前記液晶層内にライン状の電極間の電圧をリニア補間する複数の副ライン電極を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光偏向装置。
9. 前記液晶層内にライン状の電極間の電圧をリニア補間する透明抵抗膜を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光偏向装置。
10. 少なくとも、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てなり、線順次的に画像を書き換えるライトバルブと、該ライトバルブを照明する光源と、前記ライトバルブ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毎にライトバルブと光学部材の間の光路を偏向する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光偏向装置とを有し、
    前記光偏向装置の各液晶層の光偏向方向を前記ライトバルブの線順次書き換えに同期して切り替え、前記ライトバルブの見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とする画像表示装置。
11. サブフィールド時間をtsf、前記光偏向装置の前記液晶層の分割をｎ（ｎは２以上の正の整数）等分とし、前記分割時間ｔ（ｋ）をｔ（ｋ）＝tsf／ｎに設定することを特徴とする請求項１０記載の画像表示装置。

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