JP2009258533A - Liquid crystal optical device, optical path switching device, optical scanner, and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光路切り換え装置、光走査装置、画像形成装置、画像表示装置、レーザー加工装置等に使用可能な液晶光学装置と、その液晶光学装置を用いた光路切り換え装置、該光路切り換え装置を用いた光走査装置、及び、前記光走査装置を備えたレーザープリンタ、レーザープロッタ、デジタル複写機、ファクシミリあるいはこれらの複合機等の画像形成装置に関する。 The present invention relates to a liquid crystal optical device that can be used in an optical path switching device, an optical scanning device, an image forming device, an image display device, a laser processing device, and the like, an optical path switching device using the liquid crystal optical device, and the optical path switching device. The present invention relates to an optical scanning apparatus, and an image forming apparatus such as a laser printer, a laser plotter, a digital copying machine, a facsimile, or a composite machine including these optical scanning apparatuses.
近年、液晶素子は、薄型、軽量、低消費電力等の特徴を生かし、表示用途を中心とした光学素子として幅広く用いられるようになっている。これらの表示素子の殆どは、ネマチック液晶を用いており、その応答速度は数msec〜数十msecと、あまり高速ではないことが知られている。
これに対し、強誘電性を示すカイラルスメクチックC相(SmC*相)を有する液晶を用いた液晶素子は、数μsec〜数百μsecと、高速応答性やメモリー性を有しており、これらの特性を生かした強誘電性液晶素子への応用研究が精力的に行われている。しかしながら、強誘電性液晶素子は良好な配向を得る事が困難であり、その配向安定性に関して解決すべき問題が数多く残ってもいる。
In recent years, liquid crystal elements have been widely used as optical elements mainly for display applications, taking advantage of features such as thinness, light weight, and low power consumption. Most of these display elements use nematic liquid crystal, and the response speed is known to be not so fast as several msec to several tens msec.
On the other hand, a liquid crystal element using a liquid crystal having a chiral smectic C phase (SmC * phase) exhibiting ferroelectricity has a high-speed response and a memory property of several μsec to several hundred μsec. The application research to the ferroelectric liquid crystal element which makes the best use of the characteristic is energetically performed. However, it is difficult to obtain good alignment in the ferroelectric liquid crystal element, and many problems to be solved remain regarding the alignment stability.
例えば強誘電性液晶素子の光学特性は液晶分子からなる光軸に起因しており、光軸のズレや変動は光学特性を劣化させる原因となる。すなわち配向の不安定性は光学特性の劣化に繋がる。一般に強誘電性液晶は液晶分子がスメクチック層と呼ばれる層構造を形成しており、この層構造の回転により、光軸が変動するという現象が知られている。 For example, the optical characteristics of the ferroelectric liquid crystal element are caused by the optical axis composed of liquid crystal molecules, and deviations and fluctuations of the optical axis cause the optical characteristics to deteriorate. That is, the instability of orientation leads to deterioration of optical characteristics. In general, the ferroelectric liquid crystal has a layer structure in which liquid crystal molecules are called smectic layers, and the phenomenon that the optical axis fluctuates due to the rotation of the layer structure is known.
このような層回転に関して、例えば非特許文献1(第22回(1996)液晶討論会予稿集p37〜p40)には、強誘電性液晶(スメクチックA相、スメクチックC相)に非対称な電圧パルスまたは直流電圧を印加することでスメクチック層が回転する現象が報告されている。 Regarding such layer rotation, for example, Non-Patent Document 1 (Proceedings of the 22nd (1996) Liquid Crystal Symposium Proceedings p37 to p40) describes that voltage pulses asymmetric to ferroelectric liquid crystals (smectic A phase, smectic C phase) or It has been reported that a smectic layer rotates by applying a DC voltage.
また、特許文献1(特許第3106166号公報)には、反強誘電性液晶の層回転を抑制するために、極性の異なる電界印加の応答速度を近似ないし等しくするように、対向する両電極基板において配向条件を統一し、配向作用を近似ないし等しくすることが記載されている。 Further, Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3106166) discloses that both electrode substrates facing each other are set so that response speeds of application of electric fields having different polarities are approximately or equal to suppress layer rotation of antiferroelectric liquid crystal. Describes that the alignment conditions are unified and the alignment action is approximated or equalized.
前述の非特許文献1においては、層回転現象の発見について記載されているが、層回転現象の発生原因の詳細や液晶セルにおける配向安定化及び層回転現象の発生防止対策についてまでは言及されていない。
一方、前述の特許文献1では、層回転を抑制することを目的とした素子構造について開示があり、対向基板の配向条件を同一にして配向作用を等しくすること等を提案している。しかし、後述する本発明で提供しているスメクチック層回転が発生した場合の対応策については言及していない。
また、特許文献1に記載の従来技術においては、対向基板の配向条件を同一にして配向作用を等しくすることを提供しているが、強誘電性液晶は界面状態に非常に敏感であるため、両基板の配向作用の同一化は困難である。また、素子駆動の高速化を図るべく印加電圧を高めた場合、層回転が発生する可能性が高くなり、この従来技術の対策のみでは限界がある。
In the aforementioned
On the other hand, the above-mentioned
Further, in the prior art described in
そこで上記のような従来技術の課題を解決するため、本発明者らは先に、スメクチック層をDC電圧、非対称交流電圧等により回転させて、配向処理(ラビング)方向に単安定化させることを提案している(特願2008−006523)。
この先願では、スメクチック層を安定化するための技術を提案しているが、素子駆動中に発生したスメクチック層回転に対する対応策については言及していない。
また、この先願では、双安定の配向状態の一つの配向状態を配向処理(ラビング)方向に単安定化させており、層回転の抑制効果が高いが、突発的な印加電圧不良が発生した場合、それが原因で層回転が誘起される場合があり、上記の対策のみでは限界がある。
Therefore, in order to solve the above-described problems of the conventional technology, the present inventors firstly made the smectic layer mono-stabilized in the orientation (rubbing) direction by rotating it with a DC voltage, an asymmetrical AC voltage, or the like. It has been proposed (Japanese Patent Application No. 2008-006523).
This prior application proposes a technique for stabilizing the smectic layer, but does not mention a countermeasure against the smectic layer rotation generated during element driving.
Also, in this prior application, one of the bistable alignment states is mono-stabilized in the alignment treatment (rubbing) direction, and the effect of suppressing layer rotation is high, but suddenly applied voltage failure occurs Because of this, layer rotation may be induced, and there are limits to the above measures alone.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、前述の従来技術が素子構造あるいは素子化プロセスに取り入れている層回転抑止対策をとる必要がなく、素子構造、プロセスを簡略化できる構成の液晶光学装置を提供することを目的とする。
また、前述の従来技術では、層回転の発生が直接の故障要因となるが、本発明では層回転をキャンセルできるようにし、故障要因とならず、信頼性を向上させることができる構成の液晶光学装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、上記の液晶光学装置を具備し、光路切り換え時のビーム光量が安定した光路切り換え装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、上記光路切り換え手段を具備し、記録時のビーム光量が安定した光走査装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、上記光走査装置を具備し、低コスト、高速、高画質対応で、かつ、安定して画像形成を行なうことができる画像形成装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is not necessary to take a layer rotation suppression measure that the above-described conventional technology has taken into the element structure or element formation process, and the liquid crystal having a structure that can simplify the element structure and process. An object is to provide an optical device.
Further, in the above-described prior art, the occurrence of layer rotation is a direct failure factor. In the present invention, however, the layer rotation can be canceled, and the liquid crystal optical device is configured not to be a failure factor but to improve reliability. An object is to provide an apparatus.
It is another object of the present invention to provide an optical path switching device that includes the above-described liquid crystal optical device and has a stable beam quantity when switching the optical path.
A further object of the present invention is to provide an optical scanning device comprising the above-mentioned optical path switching means and having a stable beam quantity during recording.
It is another object of the present invention to provide an image forming apparatus that includes the above-described optical scanning device and that can stably perform image formation at low cost, high speed, and high image quality.
上記の目的を達成するため、本発明では以下のような解決手段を採っている。
本発明の第1の手段は、液晶光学装置であって、「一対の基板と、該一対の基板上に設けられた透明電極と、前記一対の基板間に保持されスメクチック層を形成してなる双安定型の強誘電性液晶層とを備え、電圧印加によって入射光の偏光方向を切替えて出射する液晶光学素子」と、「前記透明電極を介して前記強誘電性液晶層に電圧を印加する電圧印加手段」と、「前記液晶光学素子からの出射光に対して所定の偏光方向の強度を検出する光強度検出手段」と、「偏光方向切替え用の印加電圧切替えタイミングを出発点とし、前記光強度検出手段で検出される光強度が一定するまでの期間(以下、モニタリング期間と呼ぶ)において、光強度変化があらかじめ定められた変化状態と異なるかを判断し、所定方向からのスメクチック層回転方向を特定するスメクチック層回転方向特定手段」と、を有することを特徴とする。
また、本発明の第2の手段は、第1の手段の液晶光学装置において、「前記スメクチック層回転方向特定手段からの情報に応じて、回転をキャンセルする方向にスメクチック層回転を行うスメクチック層回転方向調整手段」を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following solutions.
The first means of the present invention is a liquid crystal optical device, comprising: “a pair of substrates, a transparent electrode provided on the pair of substrates, and a smectic layer held between the pair of substrates. A bistable ferroelectric liquid crystal layer, and a voltage applied to the ferroelectric liquid crystal layer via the transparent electrode; `` Voltage application means '', `` Light intensity detection means for detecting intensity in a predetermined polarization direction with respect to light emitted from the liquid crystal optical element '', and `` Applied voltage switching timing for switching polarization direction as a starting point, In a period until the light intensity detected by the light intensity detection means becomes constant (hereinafter referred to as a monitoring period), it is determined whether the light intensity change is different from a predetermined change state, and the smectic layer rotates from a predetermined direction. Direction The specific smectic layers rotational direction specifying means for "a, characterized by having a.
According to a second means of the present invention, in the liquid crystal optical device of the first means, “a smectic layer rotation that rotates a smectic layer in a direction to cancel the rotation in accordance with information from the smectic layer rotation direction specifying means”. It is characterized by having "direction adjusting means".
本発明の第3の手段は、第2の手段の液晶光学装置において、前記スメクチック層回転方向調整手段が、前記電圧印加手段で兼用されてなり、前記スメクチック層回転方向特定手段からの信号により前記電圧印加手段の印加電圧波形を変化させることでスメクチック層回転方向の調整を行うことを特徴とする。
また、本発明の第4の手段は、第2の手段の液晶光学装置において、前記スメクチック層回転方向調整手段が、前記液晶光学素子を保持回転する保持部材であることを特徴とする。
According to a third means of the present invention, in the liquid crystal optical device of the second means, the smectic layer rotating direction adjusting means is also used as the voltage applying means, and the signal is supplied from the smectic layer rotating direction specifying means. The smectic layer rotation direction is adjusted by changing the voltage waveform applied by the voltage applying means.
According to a fourth means of the present invention, in the liquid crystal optical device of the second means, the smectic layer rotation direction adjusting means is a holding member for holding and rotating the liquid crystal optical element.
本発明の第5の手段は、第1乃至第4のいずれか1つの手段の液晶光学装置において、前記液晶光学素子の双安定状態における一方の液晶配向方向が、入射光の偏光方向と平行もしくは直交する方向(以下、a方向と呼ぶ)に初期設定され、他方の液晶配向方向がa方向より45°回転した方向(以下、b方向と呼ぶ)に初期設定され、スメクチック層法線方向sがa方向とb方向を2等分する方向である前記a方向から22.5°の方向(以下、c方向と呼ぶ)に初期設定されてなることを特徴とする。 According to a fifth means of the present invention, in the liquid crystal optical device of any one of the first to fourth means, one liquid crystal alignment direction in the bistable state of the liquid crystal optical element is parallel to the polarization direction of incident light or Initially set in an orthogonal direction (hereinafter referred to as a direction), the other liquid crystal alignment direction is initially set in a direction rotated by 45 ° from the a direction (hereinafter referred to as b direction), and the smectic layer normal direction s is It is characterized by being initially set in a direction 22.5 ° from the a direction (hereinafter referred to as the c direction), which is a direction that equally divides the a direction and the b direction into two.
本発明の第6の手段は、第5の手段の液晶光学装置において、前記光強度検出手段において設定する所定偏光方向が、前記液晶光学素子への入射光偏光方向と平行な方向であり、前記スメクチック層回転方向特定手段が、前記光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に増加する期間をモニタリング期間に含み、検出強度が単調に増加せず、一旦増加してから低下に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記a方向側に回転したと判断し、一旦低下してから増加に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記b方向側に回転したと判断することを特徴とする。
また、本発明の第7の手段は、第5の手段の液晶光学装置において、前記光強度検出手段において設定する所定偏光方向が、前記液晶光学素子への入射光偏光方向と平行な方向であり、前記スメクチック層回転方向特定手段が、前記光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に低下する期間をモニタリング期間に含み、検出強度が単調に低下せず、一旦低下してから増加に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記a方向側に回転したと判断し、一旦増加してから低下に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記b方向側に回転したと判断することを特徴とする。
According to a sixth means of the present invention, in the liquid crystal optical device of the fifth means, the predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction parallel to the polarization direction of the incident light to the liquid crystal optical element, The smectic layer rotation direction specifying means includes a period of monotonically increasing in the initial setting with respect to the light intensity change in the light intensity detecting means in the monitoring period, and the detected intensity does not increase monotonously, but once it increases, it decreases Is determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the a direction side, and when the smectic layer normal direction s is decreased and then increased, the smectic layer normal direction s is changed to the c direction. It is judged that it rotated to the said b direction side from.
According to a seventh means of the present invention, in the liquid crystal optical device of the fifth means, the predetermined polarization direction set in the light intensity detecting means is a direction parallel to the polarization direction of incident light to the liquid crystal optical element. The monitoring period includes a period in which the smectic layer rotation direction specifying unit monotonously decreases in the initial setting with respect to the light intensity change in the light intensity detecting unit, and the detection intensity does not decrease monotonously but temporarily decreases. In the case that the smectic layer normal direction s is rotated from the c direction to the a direction side, the smectic layer normal direction s is changed to the decrease. It is determined that the rotation is from the c direction to the b direction.
本発明の第8の手段は、第5の手段の液晶光学装置において、前記光強度検出手段において設定する所定偏光方向が、前記液晶光学素子への入射光偏光方向と直交する方向であり、前記スメクチック層回転方向特定手段が、前記光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に増加する期間をモニタリング期間に含み、検出強度が単調に増加せず、一旦増加してから低下に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記b方向側に回転したと判断し、一旦低下してから増加に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記a方向側に回転したと判断することを特徴とする。
また、本発明の第9の手段は、第5の手段の液晶光学装置において、前記光強度検出手段において設定する所定偏光方向が、前記液晶光学素子への入射光偏光方向と直交する方向であり、前記スメクチック層回転方向特定手段が、前記光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に低下する期間をモニタリング期間に含み、検出強度が単調に低下せず、一旦低下してから増加に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記b方向側に回転したと判断し、一旦増加してから低下に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記a方向側に回転したと判断することを特徴とする。
According to an eighth means of the present invention, in the liquid crystal optical device of the fifth means, the predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction orthogonal to the polarization direction of incident light to the liquid crystal optical element, The smectic layer rotation direction specifying means includes a period of monotonically increasing in the initial setting with respect to the light intensity change in the light intensity detecting means in the monitoring period, and the detected intensity does not increase monotonously, but once it increases, it decreases Is determined that the smectic layer normal direction s is rotated from the c direction to the b direction side, and when the smectic layer normal direction s is decreased and then increased, the smectic layer normal direction s is the c direction. It is judged that it rotated to the said direction a side.
According to a ninth means of the present invention, in the liquid crystal optical device of the fifth means, the predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction orthogonal to the polarization direction of the incident light to the liquid crystal optical element. The monitoring period includes a period in which the smectic layer rotation direction specifying unit monotonously decreases in the initial setting with respect to the light intensity change in the light intensity detecting unit, and the detection intensity does not decrease monotonously but temporarily decreases. In the case where the smectic layer normal direction s is rotated from the c direction to the b direction side, the smectic layer normal direction s is changed to the decrease. It is determined that the rotation has been made from the c direction toward the a direction.
本発明の第10の手段は、光路切り換え装置であって、入射する偏光方向によって出射光路が異なる偏光分離素子と、第1乃至第9のいずれか1つの手段の液晶光学装置とを具備したことを特徴とする。
また、本発明の第11の手段は、光源と、共通の回転軸を有し複数の段からなる多面反射鏡を有する光走査手段と、結像光学系と、を備えた光走査装置において、前記光源と前記光走査手段との間に、第10の手段の光路切り換え手段を具備してなることを特徴とする。
さらに本発明の第12の手段は、画像形成装置であって、第11の手段の光走査装置を備えたことを特徴とする。
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an optical path switching device including a polarization beam splitting element having a different outgoing optical path depending on an incident polarization direction, and a liquid crystal optical device as any one of the first to ninth means. It is characterized by that.
According to an eleventh means of the present invention, there is provided an optical scanning device comprising: a light source; an optical scanning means having a multi-sided reflecting mirror having a common rotational axis; and an imaging optical system; An optical path switching means of a tenth means is provided between the light source and the optical scanning means.
Further, a twelfth means of the present invention is an image forming apparatus, characterized by comprising the optical scanning device of the eleventh means.
本発明の第1の手段の液晶光学装置では、スメクチック層の回転方向を特定するスメクチック層回転方向特定手段を有することで、第2の手段以降のスメクチック層回転方向調整手段を活用してスメクチック層回転をキャンセルしたり、入射する偏光方向をスメクチック層回転に合せ回転させる、などの対策をとることができる。ここで、後者の対策は液晶光学素子を出射した光の偏光方向が初期設定と異なる状態になるため好ましくない場合があるので、前者のスメクチック層回転方向調整手段を活用する方法が望ましい。
また、一般に前述の従来技術は素子構造あるいはスメクチック層回転抑止手段を素子化プロセスに取り入れることで、スメクチック層回転抑止対策をとっているが、本発明の第2の手段では、スメクチック層回転方向特定手段からの情報に応じて、回転をキャンセルする方向にスメクチック層回転を行うスメクチック層回転方向調整手段を有するので、スメクチック層回転抑止手段を導入する必要がないため、素子構造、プロセスを簡略化できる。また、前述の従来技術では、層回転の発生が直接の故障要因となるが、本発明では層回転をキャンセルできるため故障要因とならず、信頼性を向上させることができる。
In the liquid crystal optical device of the first means of the present invention, the smectic layer rotation direction specifying means for specifying the rotation direction of the smectic layer is provided, and the smectic layer rotation direction adjusting means after the second means is utilized to make the smectic layer. Measures such as canceling the rotation or rotating the incident polarization direction in accordance with the rotation of the smectic layer can be taken. Here, since the latter countermeasure is not preferable because the polarization direction of the light emitted from the liquid crystal optical element is different from the initial setting, the method using the former smectic layer rotation direction adjusting means is desirable.
In general, the above-mentioned prior art takes a smectic layer rotation suppression measure by incorporating an element structure or a smectic layer rotation suppression means into the elementization process. However, the second means of the present invention specifies the smectic layer rotation direction. Since there is a smectic layer rotation direction adjusting means for rotating the smectic layer in the direction to cancel the rotation according to the information from the means, it is not necessary to introduce the smectic layer rotation inhibiting means, so that the device structure and process can be simplified. . Further, in the above-described prior art, the occurrence of layer rotation becomes a direct failure factor. However, in the present invention, since layer rotation can be canceled, it does not become a failure factor, and reliability can be improved.
本発明の第3の手段の液晶光学装置では、第1、第2の手段の効果に加えて、スメクチック層回転方向調整手段が電圧印加手段と兼用できるために、小型化が図れる。
また、本発明の第4の手段の液晶光学装置では、第1、第2の手段の効果に加えて、スメクチック層回転方向調整手段が保持部材であるため、保持部材を回転させるだけでスメクチック層回転の調整が完了し、簡易的である。また、スメクチック層の回転度合いを目視確認するのが容易である。また、第3の手段のように、スメクチック層回転方向調整手段を電圧印加手段と兼用した場合には、電圧波形の変化のさせ方によっては配向不良を招く恐れがあるが、本構成ではその心配がない。
本発明の第5の手段の液晶光学装置では、第1乃至第4のいずれか1つの効果に加えて、スメクチック層回転方向特定手段における特定が容易に行える。
In the liquid crystal optical device of the third means of the present invention, in addition to the effects of the first and second means, the smectic layer rotation direction adjusting means can also be used as the voltage applying means, so that the size can be reduced.
In the liquid crystal optical device according to the fourth means of the present invention, in addition to the effects of the first and second means, the smectic layer rotation direction adjusting means is the holding member, so that the smectic layer can be obtained simply by rotating the holding member. Adjustment of rotation is completed and it is simple. In addition, it is easy to visually check the degree of rotation of the smectic layer. Further, when the smectic layer rotation direction adjusting means is also used as the voltage applying means as in the third means, there is a risk of causing orientation failure depending on how the voltage waveform is changed. There is no.
In the liquid crystal optical device of the fifth means of the present invention, in addition to any one of the first to fourth effects, specification by the smectic layer rotation direction specifying means can be easily performed.
本発明の第6乃至第9の手段の液晶光学装置では、光強度検出手段の変化を取るだけで回転方向を特定できるため極めて簡便である。通常、クロスニコル配置を取る偏光子と検光子の間で、入射光軸を回転軸として液晶光学素子を回転して、透過光量の最大値と最小値から液晶分子方向を検出しスメクチック層方向を特定する方法が広く用いられるが、この方法では液晶光学装置の機能を一旦停止して行なう必要がある。これに対して本発明によれば、機能を停止させることなくスメクチック層を調整することができる。 The liquid crystal optical devices of the sixth to ninth means of the present invention are very simple because the rotation direction can be specified only by taking the change of the light intensity detecting means. Normally, the liquid crystal optical element is rotated between the polarizer and analyzer having a crossed Nicol arrangement with the incident optical axis as the rotation axis, and the liquid crystal molecule direction is detected from the maximum and minimum values of transmitted light, and the smectic layer direction is determined. A method of specifying is widely used, but in this method, it is necessary to stop the function of the liquid crystal optical device once. On the other hand, according to the present invention, the smectic layer can be adjusted without stopping the function.
本発明の第10の手段の光路切り換え装置では、入射する偏光方向によって出射光路が異なる偏光分離素子と、第1乃至第9のいずれか1つの手段の液晶光学装置とを具備したことにより、光路切り換え時のビーム光量が安定した光路切り換え装置を提供することができ、さらには光路切り換え装置の信頼性を向上させることができる。
また、本発明の第11の手段の光走査装置では、光源と光走査手段との間に、第10の手段の光路切り換え手段を具備してなることにより、記録時のビーム光量が安定した光走査装置を提供でき、さらには光走査装置の信頼性を向上させることができる。
さらに本発明の第12の手段の画像形成装置では、第11の手段の光走査装置を備えたことにより、低コスト、高速、高画質対応でかつ、安定した画像形成装置を提供でき、さらには画像形成装置の信頼性を向上させることができる。
In the optical path switching device of the tenth means of the present invention, by including the polarization separation element whose outgoing optical path differs depending on the incident polarization direction, and the liquid crystal optical device of any one of the first to ninth means, It is possible to provide an optical path switching device that stabilizes the amount of beam at the time of switching the optical path, and it is possible to improve the reliability of the optical path switching device.
Further, in the optical scanning device of the eleventh means of the present invention, the optical path switching means of the tenth means is provided between the light source and the optical scanning means, so that the light beam having a stable beam quantity at the time of recording can be obtained. A scanning device can be provided, and further, the reliability of the optical scanning device can be improved.
Further, the image forming apparatus of the twelfth means of the present invention is provided with the optical scanning device of the eleventh means, so that it is possible to provide a low-cost, high-speed, high-quality compatible and stable image forming apparatus. The reliability of the image forming apparatus can be improved.
以下、本発明の具体的な構成、動作及び作用効果を図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の液晶光学装置で用いる液晶光学素子の構造例を示す概略断面図である。この液晶光学素子20は、透明材料からなる一対の基板21と、該一対の基板上に設けられた透明電極22と、一対の基板間に保持されスメクチック層を形成してなる双安定型の強誘電性液晶層23とを備え、電圧印加によって入射光の偏光方向を切替えて出射する構成である。また、図示していないが、透明電極22の上には配向膜が形成されている。
ここで、強誘電性液晶層23は、例えばホモジニアス配向をなすキラルスメクチックC相よりなる。また、一対の基板上の透明電極22は、基板面に対して略垂直方向に電界印加を可能としている。図示しない配向膜は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が利用でき、液晶ダイレクタの方向を強く規制するため、ラビング処理や光配向処理を別途施すことが好ましい。また、配向膜にはSiO2等の斜方蒸着膜を利用することもできる。また、透明電極22にはITO(Indium Tin Oxide)等を用いる事ができる。
Hereinafter, specific configurations, operations, and effects of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a liquid crystal optical element used in the liquid crystal optical device of the present invention. The liquid crystal
Here, the ferroelectric
図2は強誘電性液晶のスイッチングを説明するための模式図である。本図において直交座標系は図1と対応付けて記載している。強誘電性液晶層23は図中のXY面と平行である。一般にキラルスメクチックC相よりなる強誘電性液晶層は螺旋構造を有しているが、液晶層厚をその螺旋ピッチより薄い間隔(セルギャップ)に挟持すると、螺旋構造がほどけ、表面安定化強誘電性液晶層(SSFLC)となる。SSFLCは図2の(1)に示すように、液晶分子がスメクチック層法線に対して傾き角±θだけ傾いて安定する2つの配向安定状態を有し、この特性を双安定性と呼んでいる。このときそれぞれの液晶分子方向のなす角2θは螺旋構造の液晶のコーン角にほぼ等しい。従って紙面に垂直な方向に電界を印加することにより、液晶分子とその自発分極の向きを一様にいずれかの配向状態に揃えることができ、印加する電界の極性を切り替えることによって、2つの状態間のスイッチングを行うことができる。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the switching of the ferroelectric liquid crystal. In this figure, the orthogonal coordinate system is described in association with FIG. The ferroelectric
今、後に詳述するとおり、2つの配向状態のうちの一つを、液晶光学素子にZ方向から垂直に入射する光の偏光方向と平行もしくは直交する方向に初期設定し、これを方向aとする。また他方の液晶配向方向を方向bとする。この場合、スメクチック層法線方向sはaとbを2等分する方向に形成される(初期設定におけるこの方向をc方向とする)。
電界の極性を切り換える際、その切り換え速度、強度に対称性のズレがある場合、スメクチック層が回転する不具合がある。図2の(2)、(3)はこの様子を示している。(2)ではスメクチック層法線方向sがc方向からa方向側に、(3)ではスメクチック層法線方向sがc方向からb方向側に回転した場合を示している。この場合、a方向をとっていた液晶配向方向はa’、a”に、b方向をとっていた液晶配向方向はb’、b”にそれぞれ回転する。
As will be described in detail later, one of the two alignment states is initially set in a direction parallel or orthogonal to the polarization direction of light perpendicularly incident on the liquid crystal optical element from the Z direction. To do. The other liquid crystal alignment direction is defined as direction b. In this case, the smectic layer normal direction s is formed in a direction that equally divides a and b into two (this direction in the initial setting is defined as the c direction).
When the polarity of the electric field is switched, there is a problem that the smectic layer rotates if there is a symmetric shift in the switching speed and intensity. (2) and (3) in FIG. 2 show this state. (2) shows the case where the smectic layer normal direction s rotates from the c direction to the a direction side, and (3) shows the case where the smectic layer normal direction s rotates from the c direction to the b direction side. In this case, the liquid crystal alignment direction taking the a direction rotates to a ′, a ″, and the liquid crystal alignment direction taking the b direction rotates to b ′, b ″.
図3は、前述した表面安定化強誘電性液晶層(SSFLC)を用いた偏光切り換え素子の動作を示す模式図である。図3において、液晶層の厚さ(セルギャップ)dは入射光の波長λ(例えば650nmまたは780nm)と液晶材料の650nmまたは780nmにおける屈折率異方性Δnによって決まり、
Δn×d=λ/2
を満たすように(すなわち、半波長板条件を満たすように)決定する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the operation of the polarization switching element using the surface-stabilized ferroelectric liquid crystal layer (SSFLC) described above. In FIG. 3, the thickness (cell gap) d of the liquid crystal layer is determined by the wavelength λ of incident light (for example, 650 nm or 780 nm) and the refractive index anisotropy Δn at 650 nm or 780 nm of the liquid crystal material,
Δn × d = λ / 2
(Ie, so as to satisfy the half-wave plate condition).
ここでは、双安定状態として、入射偏光の偏光方向と垂直な方向aに初期配向方向をとり、+Eの電界を印加した場合に、入射偏光の偏光方向と45°なす角度方向bに初期配向方向をとるとする。初期配向方向aでは、入射偏光はそのままの偏光方向を保持したまま出射し、初期配向状態bにおいては、半波長板条件が成立するため出射偏光は入射偏光から略90°回転した偏光方向となる。すなわち、電界制御により偏光切り換えが実現できる。また、液晶光学素子20に強誘電性液晶を用いているため、偏光切り換えに有する応答速度は数十μsec〜数百μsecと高速応答である。
Here, as the bistable state, when the initial alignment direction is taken in the direction a perpendicular to the polarization direction of the incident polarized light and an electric field of + E is applied, the initial alignment direction is in the angle direction b formed by 45 ° with the polarization direction of the incident polarized light. Suppose that In the initial alignment direction a, the incident polarized light is emitted while maintaining the polarization direction as it is, and in the initial alignment state b, the half-wave plate condition is satisfied, so that the emitted polarized light has a polarization direction rotated by approximately 90 ° from the incident polarized light. . That is, polarization switching can be realized by electric field control. Further, since ferroelectric liquid crystal is used for the liquid crystal
図4は、上記の液晶光学素子20を用いた液晶光学装置の構成例を示す図であり、この液晶光学装置は、上記液晶光学素子20と、これに電圧を印加する電圧印加手段31と、液晶光学素子からの出射光に対して所定偏光方向の強度を検出する光強度検出手段32と、偏光方向切替え用の印加電圧切替えタイミングを出発点とし、光強度検出手段32で検出される光強度が一定するまでの期間(モニタリング期間と呼ぶ)において、光強度変化があらかじめ定められた変化状態と異なるかを判断し、所定方向からのスメクチック層回転方向を特定するスメクチック層回転方向特定手段33とを有する構成である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a liquid crystal optical device using the liquid crystal
図4には一方の偏光方向の光のみを光強度検出手段32に導くための偏光子25を記載しているが、後述するとおり、ここにPBS(ポラライズドビームスプリッタ)等の入射する偏光方向によって出射光路が異なる偏光分離素子を配置し、光を偏光方向によって振り分けるように構成しても良い。
また、光強度検出手段32には、CMOS、CCD、PD(フォトダイオード)等の一般的な光センサーを用いることができる。
FIG. 4 shows a
The light
図5の(1)は図4の液晶光学装置の光強度検出手段32で検出される光信号を例示したものである。ここでは光強度検出手段32にはPDを用いている。液晶光学素子20の液晶分子が、入射光の偏光方向に対して直交する方向、すなわち図3における初期配向方向a(図2のa方向)を取る場合、偏光回転されることなくそのままの偏光状態で出射するため「明状態」として検出される。図3の初期配向方向b(図2のb方向)の場合、すなわちa方向より45°回転した方向は、前述のとおり90°の偏光方向回転が起こるため「暗状態」となる。従ってスメクチック層法線方向sがa方向とb方向を2等分する方向であるa方向から22.5°の方向(c方向)に初期設定すればよい。
なお、スメクチック層法線方向sの初期設定の方法は、液晶光学素子形成時のラビング方向をこの方向とすることで可能である。
FIG. 5A illustrates an optical signal detected by the light
Note that the initial setting method of the smectic layer normal direction s is possible by setting the rubbing direction when forming the liquid crystal optical element to be this direction.
図5の(1)に示す通り、電圧印加手段の電圧出力を切り換えた直後に「明⇔暗」の変化が始まり、本例においては30μs以内に光強度が一定する。従って印加電圧切り換えタイミングから30μsの期間をモニタリング期間として定めることができる。ここでは暗から明への切り替えをモニタリング期間に定めているが、明から暗への切り替えを定めることもできる。 As shown in (1) of FIG. 5, immediately after the voltage output of the voltage applying means is switched, the change of “brightness and darkness” starts, and in this example, the light intensity becomes constant within 30 μs. Therefore, a period of 30 μs from the applied voltage switching timing can be determined as the monitoring period. Here, switching from dark to bright is determined during the monitoring period, but switching from light to dark can also be determined.
図5の(2)はスメクチック層が回転した場合に発生する光強度検出手段32の検出波形の例である。これは図2の(2)に示すスメクチック層回転が生じた場合に観測される。すなわち図2の(2)では、初期配向方向a,bにて安定であった液晶分子はスメクチック層回転により図中に示すa’,b’方向に回転して安定化しており、a’位置ではa位置に比べて入射偏光方向が回転していることからやや明るい状態になる。a’からb’に液晶分子方向が変化する際、a方向を通過する際に最も検出光量が低下し、その後増加に転じることになる。b’位置では偏光方向が90°までの回転を受けていないため、b方向での検出光量よりもやや低い値で一定する。また、b’からa’への変化も同様に説明できる。 (2) of FIG. 5 is an example of a detection waveform of the light intensity detection means 32 generated when the smectic layer rotates. This is observed when the smectic layer rotation shown in (2) of FIG. 2 occurs. That is, in (2) of FIG. 2, the liquid crystal molecules that were stable in the initial alignment directions a and b are rotated and stabilized in the a ′ and b ′ directions shown in the drawing by the rotation of the smectic layer, and the a ′ position Then, since the incident polarization direction is rotated as compared with the position a, the state becomes slightly brighter. When the liquid crystal molecule direction changes from a ′ to b ′, the detected light amount decreases most when passing through the a direction, and then increases. Since the polarization direction has not been rotated up to 90 ° at the b ′ position, it is constant at a value slightly lower than the detected light amount in the b direction. The change from b 'to a' can be explained in the same way.
図5の(3)は、図2の(3)に示すスメクチック層回転が生じた場合に観測される光検出波形である。すなわち図2の(3)では、初期配向方向a,bにて安定であった液晶分子はスメクチック層回転により図中に示すa”,b”方向に回転して安定化しており、a”位置ではa位置に比べて入射偏光方向が回転していることからやや明るい状態になる。a”からb”に液晶分子方向が変化する際、b方向を通過する際に最も検出光量が増大し、その後低下に転じることになる。b”位置では偏光方向が90°までの回転を受けていないため、b方向での検出光量よりもやや低い値で一定する。また、b”からa”への変化も同様に説明できる。 (3) of FIG. 5 is a photodetection waveform observed when the smectic layer rotation shown in (3) of FIG. 2 occurs. That is, in (3) of FIG. 2, the liquid crystal molecules that were stable in the initial alignment directions a and b are rotated and stabilized in the a ″ and b ″ directions shown in the figure by the rotation of the smectic layer, and the a ″ position Then, since the incident polarization direction is rotated as compared with the position a, the state becomes slightly brighter. When the liquid crystal molecule direction changes from a ″ to b ″, the detected light amount increases most when passing through the b direction, Thereafter, the light intensity starts to decrease. At the b ″ position, since the polarization direction has not been rotated up to 90 °, it is constant at a value slightly lower than the detected light amount in the b direction. The change from b ″ to a ″ can be explained in the same way.
図5における波形パターンと図2における液晶配向方向は対応関係があるため、図5の波形パターンをモニタリングすることでスメクチック層回転方向を特定することができる。
すなわち、一例としては、光強度検出手段において設定する所定偏光方向が入射光偏光方向と平行な方向であり、スメクチック層回転方向特定手段が、光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に増加する期間をモニタリング期間に含み、検出強度が単調に増加せず、一旦増加してから低下に転じる場合は、スメクチック層法線方向sがc方向からa方向側に回転したと判断し、一旦低下してから増加に転じる場合は、スメクチック層法線方向sがc方向からb方向側に回転したと判断することができる。
また、別の例としては、光強度検出手段において設定する所定偏光方向が入射光偏光方向と平行な方向であり、スメクチック層回転方向特定手段が、光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に低下する期間をモニタリング期間に含み、検出強度が単調に低下せず、一旦低下してから増加に転じる場合は、スメクチック層法線方向sがc方向からa方向側に回転したと判断し、一旦増加してから低下に転じる場合は、スメクチック層法線方向sがc方向からb方向側に回転したと判断することができる。
Since the waveform pattern in FIG. 5 and the liquid crystal alignment direction in FIG. 2 have a correspondence relationship, the smectic layer rotation direction can be specified by monitoring the waveform pattern in FIG.
That is, as an example, the predetermined polarization direction set in the light intensity detecting means is a direction parallel to the incident light polarization direction, and the smectic layer rotation direction specifying means is initially set for the light intensity change in the light intensity detecting means. When the monitoring period includes a monotonically increasing period and the detected intensity does not monotonously increase, but once increases, it starts to decrease, it is determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the a direction. However, when it decreases and then increases, it can be determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the b direction.
As another example, the predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction parallel to the incident light polarization direction, and the smectic layer rotation direction specifying means is adapted to the light intensity change in the light intensity detection means. In the initial setting, the period of monotonically decreasing is included in the monitoring period, and when the detection intensity does not decrease monotonously but once decreases and then increases, the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the a direction. In the case of once increasing and then decreasing, it can be determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the b direction.
さらに別の例としては、光強度検出手段において設定する所定偏光方向が入射光偏光方向と直交する方向であり、スメクチック層回転方向特定手段が、光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に増加する期間をモニタリング期間に含み、検出強度が単調に増加せず、一旦増加してから低下に転じる場合は、スメクチック層法線方向sがc方向からb方向側に回転したと判断し、一旦低下してから増加に転じる場合は、スメクチック層法線方向sがc方向からa方向側に回転したと判断することができる。
さらにまた別の例としては、光強度検出手段において設定する所定偏光方向が入射光偏光方向と直交する方向であり、スメクチック層回転方向特定手段が、光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に低下する期間をモニタリング期間に含み、検出強度が単調に低下せず、一旦低下してから増加に転じる場合は、スメクチック層法線方向sがc方向からb方向側に回転したと判断し、一旦増加してから低下に転じる場合は、スメクチック層法線方向sがc方向からa方向側に回転したと判断することができる。
As yet another example, the predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction orthogonal to the incident light polarization direction, and the smectic layer rotation direction specifying means is the initial in response to the light intensity change in the light intensity detection means. When the monitoring period includes a monotonically increasing period in the setting, and the detection intensity does not monotonously increase and then once increases, then the smectic layer normal direction s rotates from the c direction to the b direction side. In the case where it is judged and once decreases and then increases, it can be determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the a direction.
As yet another example, the predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction orthogonal to the incident light polarization direction, and the smectic layer rotation direction specifying means is adapted to the light intensity change in the light intensity detection means. In the initial setting, the period of monotonically decreasing is included in the monitoring period, and when the detection intensity does not decrease monotonously but once decreases and then increases, the smectic layer normal direction s rotates from the c direction to the b direction. In the case of once increasing and then starting to decrease, it can be determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the a direction.
次に図6は、上記の図4に示した液晶光学装置に、スメクチック層回転方向調整手段34を加えた構成の液晶光学装置の構成図である。
スメクチック層回転方向調整34は、電圧印加手段32の印加電圧波形を変化させることで行うことができる。図7は印加電圧波形の変化例である。図7の(1)が通常状態であり、(2)、(3)がスメクチック層回転調整のため、バイアス電圧ΔVを加えた場合である。(2)においては−V印加時に安定な配向状態から、+V印加時に安定な配向状態の方向にスメクチック層が回転する。(3)は逆である。ΔVの大きさは、例えばVの5〜20%に定めればよい。小さすぎるとスメクチック層がもとの状態に戻るのに時間がかかり、大きすぎると配向状態が乱れる不具合が発生する。
Next, FIG. 6 is a configuration diagram of a liquid crystal optical device in which a smectic layer rotation direction adjusting means 34 is added to the liquid crystal optical device shown in FIG.
The smectic layer
図8は、スメクチック層回転方向調整手段の別の構成例であり、液晶光学素子20を保持回転する保持部材42がスメクチック層回転方向調整手段をなしている。
この液晶光学素子20を保持する保持部材42は、筐体41に回転自在に取り付けられている。そしてスメクチック層回転方向特定手段33からの情報により回転方向を定めて回転させることができる。
FIG. 8 shows another configuration example of the smectic layer rotation direction adjusting means, and the holding
The holding
図9は入射する偏光方向によって出射光路が異なる偏光分離素子26と、前述の液晶光学装置とを具備した光路切り換え装置の構成例を示す図である。より具体的には、図6の液晶光学装置の偏光子25に代えて、入射する偏光方向によって出射光路が異なる偏光分離素子26を配置し、光を偏光方向によって振り分けるように構成した例である。
偏光分離素子26としては、p偏光成分を透過し、s偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタプリズム等や、偏光依存性を示す回折光学素子を多段配列したものを用いることができる。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of an optical path switching device including a polarization
As the
[実施例1]
以下、本発明のより具体的な実施例を説明する。
まず、本発明の実施形態の代表具体例として強誘電性液晶素子の作製および動作確認について説明する。
[Example 1]
Hereinafter, more specific examples of the present invention will be described.
First, fabrication and operation check of a ferroelectric liquid crystal element will be described as a typical example of an embodiment of the present invention.
(実験1)
厚さ1.1mmのソーダガラス基板にITO電極(膜厚1500Å)を成膜した。基板電極面に配向膜(AL3046 −R31 JSR社製)をスピンコートにより約800Åの厚さに形成し、その基板表面を、ラビング法により配向処理を行った。このガラス基板を2枚用い、ラビング方向がアンチパラレル方向となるように電極面を対向させて、基板間が約2μmになるようにビーズを混入した接着剤にて貼り合わせて空セルを数サンプル作製した。空セルをホットプレート上にて90度に加熱した状態で空セル内に液晶層として、強誘電性液晶(クラリアント製FELIX018−100 Δn=0.17、2θ=45)を毛管法で注入し、放置冷却後に注入口等を封止し、図1のような液晶光学素子を数サンプル作製した。
作製したサンプルの配向状態を直交ニコル下の光学顕微鏡により観察したところ、ラビング方向とスメクチック層法線方向が略同じ配向状態にある液晶光学素子サンプルが作製できた。
(Experiment 1)
An ITO electrode (a thickness of 1500 mm) was formed on a soda glass substrate having a thickness of 1.1 mm. An alignment film (AL3046-R31 manufactured by JSR) was formed on the substrate electrode surface by spin coating to a thickness of about 800 mm, and the substrate surface was subjected to alignment treatment by rubbing. Two glass substrates are used, with the electrode surfaces facing each other so that the rubbing direction is antiparallel, and a few samples of empty cells are bonded together with an adhesive mixed with beads so that the distance between the substrates is about 2 μm. Produced. A ferroelectric liquid crystal (FELIX 018-100 Δn = 0.17, 2θ = 45, manufactured by Clariant) is injected as a liquid crystal layer in the empty cell in a state where the empty cell is heated at 90 degrees on a hot plate, After allowing to cool, the inlet and the like were sealed, and several samples of liquid crystal optical elements as shown in FIG. 1 were produced.
When the alignment state of the prepared sample was observed with an optical microscope under crossed Nicols, a liquid crystal optical element sample in which the rubbing direction and the smectic layer normal direction were in substantially the same alignment state was prepared.
(実験2)
次に光学特性評価装置として、半導体レーザーよりなるレーザー光源とフォトダイオード(PD)の光路中に前述した液晶光学素子および偏光板を配置した光学系を準備した。偏光板は、レーザー光源の偏光方向を透過軸に設定し、液晶光学素子がない状態で透過光量が最大となる状態とした。入射偏光方向が、図2の(1)のY方向となるよう液晶光学素子を調整配置した。液晶光学素子に周波数4kHz、±20V/μmの矩形波信号を入力し明暗のスイッチングを観察したところ、PD出力が図5の(1)に示すような明暗状態となるようことが確認された。
(Experiment 2)
Next, an optical system in which the above-described liquid crystal optical element and polarizing plate were arranged in the optical path of a laser light source composed of a semiconductor laser and a photodiode (PD) was prepared as an optical property evaluation apparatus. In the polarizing plate, the polarization direction of the laser light source was set as the transmission axis, and the amount of transmitted light was maximized without the liquid crystal optical element. The liquid crystal optical element was adjusted and arranged so that the incident polarization direction was the Y direction of (1) in FIG. When a rectangular wave signal with a frequency of 4 kHz and ± 20 V / μm was input to the liquid crystal optical element and the switching between light and dark was observed, it was confirmed that the PD output was in a light and dark state as shown in FIG.
(実験3)
この状態のサンプルに周波数4kHz、印加電圧±20V/μm、オフセット電圧ΔV=+4Vの非対称な信号を入力し、しばらく放置した。その後、上記光学特性評価と同様の評価を行なったところ、図5の(2)の波形が計測された。光学顕微鏡で観察したところ、スメクチック層法線方向sがラビング方向からずれる現象が確認された。具体的には、図2の(2)に示す通り、初期配向方向a,bにて安定であった液晶分子が、スメクチック層回転により図中に示すa’,b’方向に回転して安定化していた。
(Experiment 3)
An asymmetric signal having a frequency of 4 kHz, an applied voltage of ± 20 V / μm, and an offset voltage ΔV = + 4 V was input to the sample in this state and left for a while. Thereafter, when the same evaluation as the optical characteristic evaluation was performed, the waveform (2) in FIG. 5 was measured. Observation with an optical microscope confirmed that the smectic layer normal direction s deviated from the rubbing direction. Specifically, as shown in (2) of FIG. 2, the liquid crystal molecules that were stable in the initial alignment directions a and b are rotated and stabilized in the directions a ′ and b ′ shown in the figure by the rotation of the smectic layer. It was converted.
(実験4)
次に、この状態のサンプルに周波数4kHz、印加電圧±20V/μm、オフセット電圧ΔV=−4Vの非対称な信号を入力したところ、しばらくして上記光学特性評価の波形が図5の(2)から図5の(1)の波形に変化することが計測された。この状態でスメクチック層法線方向sを光学顕微鏡にて観察したところ、ラビング方向とほぼ重なる位置まで回転していることが確認された。
以上の実験から、光学特性評価の波形をモニタリングすることでスメクチック層回転方向が特定でき、印加電圧波形の変化によってスメクチック層回転方向調整が行えることを確認した。
(Experiment 4)
Next, when an asymmetric signal having a frequency of 4 kHz, an applied voltage of ± 20 V / μm, and an offset voltage ΔV = −4 V was input to the sample in this state, the waveform of the above optical characteristic evaluation was observed from (2) of FIG. It was measured that the waveform changed to the waveform of (1) in FIG. When the smectic layer normal direction s was observed with an optical microscope in this state, it was confirmed that the smectic layer was rotated to a position almost overlapping with the rubbing direction.
From the above experiments, it was confirmed that the smectic layer rotation direction can be specified by monitoring the waveform of the optical characteristic evaluation, and that the smectic layer rotation direction can be adjusted by changing the applied voltage waveform.
[実施例2]
実施例1で用いた光学特性評価装置において、液晶光学素子を支持する部材を図8に示すような保持部材(回転ホルダー(Σ58(30) シグマ光機製))とした。
実施例1の実験1〜3の後、スメクチック層回転方向をキャンセルする方向に回転ホルダーを回転したところ、光学特性評価の波形が図5の(2)から図5の(1)の波形に変化することが計測された。
以上の実験から、光学特性評価の波形をモニタリングすることでスメクチック層回転方向が特定でき、液晶光学素子を保持回転する保持部材の回転によってスメクチック層回転方向調整が行えることを確認した。
[Example 2]
In the optical characteristic evaluation apparatus used in Example 1, the member that supports the liquid crystal optical element was a holding member (rotary holder (Σ58 (30) manufactured by Sigma Koki Co., Ltd.)) as shown in FIG.
After
From the above experiment, it was confirmed that the smectic layer rotation direction can be specified by monitoring the waveform of the optical characteristic evaluation, and that the smectic layer rotation direction can be adjusted by the rotation of the holding member that holds and rotates the liquid crystal optical element.
[実施例3]
次に本発明の光走査装置の一実施例について説明する。
図10は光走査装置の一部を示す図である。この光走査装置は、レーザー光源1、カップリングレンズ(コリメートレンズ)3、光路切り換え手段4、共通の回転軸を有し複数の段からなる多面反射鏡(ポリゴンミラー)7a,7bを有する光走査手段(光偏向器)7とで構成されている。なお、図10ではシリンドリカルレンズ、被走査面への結像光学系を省略している。また、光路切り換え手段4としては、図9に示した構成の光路切り換え装置が用いられる。
[Example 3]
Next, an embodiment of the optical scanning device of the present invention will be described.
FIG. 10 shows a part of the optical scanning device. This optical scanning device includes a
ここで、光走査装置の動作について説明する。レーザー光源1から出射したビームは、前述の光路切り換え手段(光路切り換え装置)4における電界印加制御により、副走査方向にビーム光路(上段光路と下段光路)が平行シフトされ、時間分割で光偏向器7の上下段のポリゴンミラー7a,7bにそれぞれ入射される。ここで上下段のポリゴンミラー7a,7bは、45°位相をずらした4面のポリゴンミラーを用いた構成としている。このような構成において、光路切り換え手段4における電界印加を制御することで、図11(a)に示すように上段ポリゴンミラー7aからのビームが感光体面(被走査面)を走査しているときは、ビームは略上段光路のみを通過し、下段光路はほとんど通過しない。また、図11(b)に示すように下段ポリゴンミラー7bからのビームが感光体面(被走査面)を走査しているときは、ビームは略下段光路のみを通過し、上段光路はほとんど通過しないという動作が実現できる。すなわち、光源1からのビーム光量のロスはなく、光源パワーを効率的に利用でき、光源の長寿命化や劣化確立の低減に繋がる。特に高密度化に有効な面発光レーザーを光源として用いた場合には、効果が大きくなる。
Here, the operation of the optical scanning device will be described. The beam emitted from the
しかし、光路切り換え手段4における切り換えの偏光方向が設定値からズレたり、光軸変動する場合は切り換え光路のビーム光量は所望値から変動し、光源パワーを効率的に利用できなくなる。そこで、前述したような液晶スイッチング時の配向性が安定となるように層回転させ、光学特性の変動が抑制された強誘電性液晶光学素子20を光路切り換え手段4の偏光切り換え素子とすることで、光路切り換え時のビーム光量が安定した光路切り換え手段および光走査装置が実現できる。
However, when the polarization direction of switching in the optical path switching means 4 deviates from the set value or changes in the optical axis, the light amount of the beam in the switching optical path changes from the desired value, and the light source power cannot be used efficiently. Therefore, the ferroelectric liquid crystal
次に図12に光走査装置の具体的な構成例を示す。
図12において、符号1,1’は半導体レーザー(LD)(図示されていない)、2はLDベース、3,3’はカップリングレンズ、4は光路切り換え手段(液晶光学装置(偏光切り換え手段)と偏光分離素子)、5,5’はシリンドリカルレンズ、6は防音ガラス、7は光偏向器(光走査手段)、7aは上段ポリゴンミラー、7bは下段ポリゴンミラー、8a,8bは第1走査レンズ(例えばfθレンズ)、9はミラー、10a,10bは第2走査レンズ(例えばfθレンズ、トロイダルレンズ等)、11a,1bは被走査面である感光体、50は開口絞りである。
図示しないが、レーザー光源(2LDユニット)1,1’から光路切り換え手段4のあとのシリンドリカルレンズ5a,5bまでの前段の光学系(光学系1)、および、fθレンズ8a,8bを含む結像光学系(光学系2)のそれぞれを2セット用い、2段のポリゴンミラー7a,7bを有する光偏向器7を用いることによって2ビームで4箇所の被走査面への光走査を行う光走査装置を構築できる。4個所の被走査面は4色(例えばイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K))に対応する感光体(図12では2箇所の感光体11a,11bのみ図示しているが、光偏向器7を挟んで反対側に、同様の構成の結像光学系(光学系2)と感光体が配置されている))であり、4つの感光体に対して光走査を行い、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K))に対応する潜像を書き込むことによって多色画像形成装置を構築することができる。
Next, FIG. 12 shows a specific configuration example of the optical scanning device.
In FIG. 12,
Although not shown in the figure, an image forming system including the preceding optical system (optical system 1) from the laser light source (2LD unit) 1, 1 ′ to the cylindrical lenses 5a, 5b after the optical path switching means 4 and the
[実施例4]
次に、図13に多色画像形成装置の基本的な構成例を示す。
図13において、符号11Y,11M,11C,11Kは感光体、12Y,12M,12C,12Kは帯電装置、13は書き込みユニット(光走査装置)、14Y,14M,14C,14Kは現像装置、15Y,15M,15C15Kは転写装置、16Y,16M,16C,16Kはクリーニング装置、17は転写ベルト、18は定着装置であり、符号に付けたYはイエロー、Mはマゼンタ、Cはシアン、Kはブラックにそれぞれ対応していることを示している。
[Example 4]
Next, FIG. 13 shows a basic configuration example of the multicolor image forming apparatus.
In FIG. 13,
図13において、感光体11Y,11M,11C,11Kは図中の矢印の方向に回転し、回転方向の順に帯電装置12Y,12M,12C,12K、現像装置14Y,14M,14C,14K、転写装置15Y,15M,15C,15K、クリーニング装置16Y,16M,16C,16Kが配備されている。帯電装置12Y,12M,12C,12Kは、感光体表面を均一に帯電するためのものであり、帯電ローラ等の帯電部材で構成されている。この帯電装置12Y,12M,12C,12Kと現像装置14Y,14M,14C,14Kの間の感光体表面に書き込みユニット(光走査装置)13によりレーザービームが照射され、各感光体11Y,11M,11C,11Kに各色対応の静電潜像が形成される。各感光体11Y,11M,11C,11Kに形成された静電潜像は、現像装置14Y,14M,14C,14Kの各色のトナーによって現像され、各感光体面上に各色のトナー像が形成される。このトナー像の形成にタイミングを合わせて、図示しない給紙部から記録紙(図示せず)が給紙され、転写ベルト17に搬送される。そして転写ベルト17で担持搬送される記録紙に、各感光体上の各色のトナー像が転写装置(例えば転写用帯電器等)15Y,15M,15C,15Kにより順次重ね合わせて転写され、記録紙上に4色を重ね合わせた画像が形成される。画像が形成された記録紙は定着装置18に搬送され、定着装置18により記録紙に画像が定着される。画像が定着された記録紙は、図示しない排紙トレイ等に排紙される。
In FIG. 13, photoconductors 11Y, 11M, 11C, and 11K rotate in the direction of the arrow in the figure, and charging
前述したような電界制御により光路が切り換え可能な光路切り換え手段(光路切り換え装置)4を備えた光走査装置を用いた画像形成装置においては、複数段のポリゴンミラー7a,7bからの走査記録に対応して、レーザー光源の光路切り換えおよび光量を変調駆動することで、各色に対応する感光体11Y,11M,11C,11Kを順次走査記録することができ、光源数を減らしながらも、ビームパワーのロスがなく、高速な画像出力を可能とする画像形成装置が実現できる。また、図12,13のような4ドラムタンデム方式において、2段ポリゴンミラーを用いる場合、順次走査記録は、例えば、イエローとマゼンダ、シアンとブラックのそれぞれ2つの感光体を交互に走査記録することができる。
また、本発明の液晶光学装置を光路切り換え手段(光路切り換え装置)4に用いた画像形成装置は、その応答速度の速い点から高速印刷、高速走査も可能であり、その書き込み速度も自在に上げていくことができる。したがって、低コスト、高速、高画質対応でかつ、安定した多色画像形成装置を提供できる。
In the image forming apparatus using the optical scanning device provided with the optical path switching means (optical path switching device) 4 capable of switching the optical path by the electric field control as described above, scanning recording from a plurality of stages of polygon mirrors 7a and 7b is supported. Then, by switching the optical path of the laser light source and modulating and driving the light amount, the
The image forming apparatus using the liquid crystal optical device of the present invention for the optical path switching means (optical path switching apparatus) 4 can perform high-speed printing and high-speed scanning because of its fast response speed, and can freely increase its writing speed. Can continue. Therefore, it is possible to provide a stable multi-color image forming apparatus that is low-cost, high-speed, compatible with high image quality.
1,1’:光源(半導体レーザー)
2:LDベース
3,3’:カップリングレンズ
4:光路切り換え手段(光路切り換え装置)
5a,5b:シリンドリカルレンズ
6:防音ガラス
7:光偏向器(光走査手段)
7a:上段ポリゴンミラー(多面反射鏡)
7b:下段ポリゴンミラー(多面反射鏡)
8a,8b:第1走査レンズ
9:ミラー
10a,10b:第2走査レンズ
11Y,11M,11C,11K:感光体
12Y,12M,12C,12K:帯電装置
13:書き込みユニット(光走査装置)
14Y,14M,14C,14K:現像装置
15Y,15M,15C15K:転写装置
16Y,16M,16C,16K:クリーニング装置
17:転写ベルト
18:定着装置
20:液晶光学素子
21:基板
22:透明電極
23:強誘電性液晶層
25:偏光子
26:偏向分離素子
31:電圧印加手段
32:光強度検出手段
33:スメチック層回転方向特定手段
34:スメチック層回転方向調整手段
41:筐体
42:保持部材42
50:開口絞り
1, 1 ': Light source (semiconductor laser)
2:
5a, 5b: Cylindrical lens 6: Soundproof glass 7: Optical deflector (optical scanning means)
7a: Upper polygon mirror (polyhedral reflector)
7b: Lower polygon mirror (polyhedral reflector)
8a, 8b: first scanning lens 9:
14Y, 14M, 14C, 14K:
50: Aperture stop
Claims (12)
前記透明電極を介して前記強誘電性液晶層に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記液晶光学素子からの出射光に対して所定の偏光方向の強度を検出する光強度検出手段と、
偏光方向切替え用の印加電圧切替えタイミングを出発点とし、前記光強度検出手段で検出される光強度が一定するまでの期間(以下、モニタリング期間と呼ぶ)において、光強度変化があらかじめ定められた変化状態と異なるかを判断し、所定方向からのスメクチック層回転方向を特定するスメクチック層回転方向特定手段と、
を有することを特徴とする液晶光学装置。 A pair of substrates, a transparent electrode provided on the pair of substrates, and a bistable ferroelectric liquid crystal layer formed between the pair of substrates and forming a smectic layer, are incident upon application of voltage. A liquid crystal optical element that emits light by switching the polarization direction of the light;
Voltage applying means for applying a voltage to the ferroelectric liquid crystal layer through the transparent electrode;
A light intensity detecting means for detecting the intensity of a predetermined polarization direction with respect to the light emitted from the liquid crystal optical element;
The light intensity change is a predetermined change during a period (hereinafter referred to as a monitoring period) until the light intensity detected by the light intensity detection means becomes constant, starting from the applied voltage switching timing for switching the polarization direction. A smectic layer rotation direction specifying means for determining whether or not the state is different and specifying the smectic layer rotation direction from a predetermined direction;
A liquid crystal optical device comprising:
前記スメクチック層回転方向特定手段からの情報に応じて、回転をキャンセルする方向にスメクチック層回転を行うスメクチック層回転方向調整手段を有することを特徴とする液晶光学装置。 The liquid crystal optical device according to claim 1.
A liquid crystal optical device comprising: a smectic layer rotation direction adjusting unit that rotates the smectic layer in a direction to cancel the rotation in accordance with information from the smectic layer rotation direction specifying unit.
前記スメクチック層回転方向調整手段が、前記電圧印加手段で兼用されてなり、前記スメクチック層回転方向特定手段からの信号により前記電圧印加手段の印加電圧波形を変化させることでスメクチック層回転方向の調整を行うことを特徴とする液晶光学装置。 The liquid crystal optical device according to claim 2.
The smectic layer rotating direction adjusting means is also used as the voltage applying means, and the smectic layer rotating direction is adjusted by changing the applied voltage waveform of the voltage applying means according to a signal from the smectic layer rotating direction specifying means. A liquid crystal optical device, wherein:
前記スメクチック層回転方向調整手段が、前記液晶光学素子を保持回転する保持部材であることを特徴とする液晶光学装置。 The liquid crystal optical device according to claim 2.
The liquid crystal optical device, wherein the smectic layer rotation direction adjusting means is a holding member that holds and rotates the liquid crystal optical element.
前記液晶光学素子の双安定状態における一方の液晶配向方向が、入射光の偏光方向と平行もしくは直交する方向(以下、a方向と呼ぶ)に初期設定され、他方の液晶配向方向がa方向より45°回転した方向(以下、b方向と呼ぶ)に初期設定され、スメクチック層法線方向sがa方向とb方向を2等分する方向である前記a方向から22.5°の方向(以下、c方向と呼ぶ)に初期設定されてなることを特徴とする液晶光学装置。 The liquid crystal optical device according to any one of claims 1 to 4,
One liquid crystal alignment direction in the bistable state of the liquid crystal optical element is initially set to a direction parallel to or perpendicular to the polarization direction of incident light (hereinafter referred to as a direction), and the other liquid crystal alignment direction is 45 from the a direction. Initially set in a rotated direction (hereinafter referred to as b direction), and the smectic layer normal direction s is a direction (hereinafter referred to as 22.5 °) from the a direction, which is a direction that bisects the a direction and the b direction. a liquid crystal optical device that is initially set in the c direction).
前記光強度検出手段において設定する所定偏光方向が、前記液晶光学素子への入射光偏光方向と平行な方向であり、
前記スメクチック層回転方向特定手段が、前記光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に増加する期間をモニタリング期間に含み、
検出強度が単調に増加せず、一旦増加してから低下に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記a方向側に回転したと判断し、
一旦低下してから増加に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記b方向側に回転したと判断することを特徴とする液晶光学装置。 The liquid crystal optical device according to claim 5.
The predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction parallel to the incident light polarization direction to the liquid crystal optical element,
The smectic layer rotation direction specifying means includes a period of monotonically increasing in the initial setting with respect to the light intensity change in the light intensity detecting means, in the monitoring period,
If the detected intensity does not increase monotonously, but once increases and then decreases, it is determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the a direction side,
The liquid crystal optical device according to claim 1, wherein if the smectic layer normal direction s is rotated from the c direction to the b direction side when it decreases and then increases.
前記光強度検出手段において設定する所定偏光方向が、前記液晶光学素子への入射光偏光方向と平行な方向であり、
前記スメクチック層回転方向特定手段が、前記光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に低下する期間をモニタリング期間に含み、
検出強度が単調に低下せず、一旦低下してから増加に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記a方向側に回転したと判断し、
一旦増加してから低下に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記b方向側に回転したと判断することを特徴とする液晶光学装置。 The liquid crystal optical device according to claim 5.
The predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction parallel to the incident light polarization direction to the liquid crystal optical element,
The smectic layer rotation direction specifying means includes a period of monotonically decreasing in the initial setting with respect to the light intensity change in the light intensity detecting means, in the monitoring period,
If the detected intensity does not decrease monotonously, but once decreases and then increases, it is determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the a direction side,
If the liquid crystal optical device is once increased and then turned down, it is determined that the smectic layer normal direction s is rotated from the c direction to the b direction.
前記光強度検出手段において設定する所定偏光方向が、前記液晶光学素子への入射光偏光方向と直交する方向であり、
前記スメクチック層回転方向特定手段が、前記光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に増加する期間をモニタリング期間に含み、
検出強度が単調に増加せず、一旦増加してから低下に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記b方向側に回転したと判断し、
一旦低下してから増加に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記a方向側に回転したと判断することを特徴とする液晶光学装置。 The liquid crystal optical device according to claim 5.
The predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction orthogonal to the incident light polarization direction to the liquid crystal optical element,
The smectic layer rotation direction specifying means includes a period of monotonically increasing in the initial setting with respect to the light intensity change in the light intensity detecting means, in the monitoring period,
If the detected intensity does not increase monotonously, but once increases and then decreases, it is determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the b direction side,
The liquid crystal optical device according to claim 1, wherein, when the liquid crystal optical device is once decreased and then increased, the smectic layer normal direction s is determined to be rotated from the c direction to the a direction.
前記光強度検出手段において設定する所定偏光方向が、前記液晶光学素子への入射光偏光方向と直交する方向であり、
前記スメクチック層回転方向特定手段が、前記光強度検出手段における光強度変化に対して、初期設定において単調に低下する期間をモニタリング期間に含み、
検出強度が単調に低下せず、一旦低下してから増加に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記b方向側に回転したと判断し、
一旦増加してから低下に転じる場合は、前記スメクチック層法線方向sが前記c方向から前記a方向側に回転したと判断することを特徴とする液晶光学装置。 The liquid crystal optical device according to claim 5.
The predetermined polarization direction set in the light intensity detection means is a direction orthogonal to the incident light polarization direction to the liquid crystal optical element,
The smectic layer rotation direction specifying means includes a period of monotonically decreasing in the initial setting with respect to the light intensity change in the light intensity detecting means, in the monitoring period,
If the detected intensity does not decrease monotonously, but once decreases and then increases, it is determined that the smectic layer normal direction s has rotated from the c direction to the b direction side,
If the liquid crystal optical device is once increased and then turned down, it is determined that the smectic layer normal direction s is rotated from the c direction to the a direction.
前記光源と前記光走査手段との間に、請求項10に記載の光路切り換え手段を具備してなることを特徴とする光走査装置。 In an optical scanning device comprising a light source, an optical scanning unit having a multi-sided reflecting mirror having a common rotational axis, and an imaging optical system,
An optical scanning apparatus comprising the optical path switching unit according to claim 10 between the light source and the optical scanning unit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008109848A JP2009258533A (en) | 2008-04-21 | 2008-04-21 | Liquid crystal optical device, optical path switching device, optical scanner, and image forming apparatus |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN106791339A (en) * | 2017-03-22 | 2017-05-31 | 北京小米移动软件有限公司 | Imaging system and its control method |
CN115047638A (en) * | 2022-06-10 | 2022-09-13 | 北京空间机电研究所 | Laser double-visual-direction scanning assembly system without mechanical movable part |
-
2008
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