JP2689898B2 - 空間光変調素子およびその駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投写型ディスプレイ、
ホログラフィーテレビジョンまたは光演算装置に用いら
れる空間光変調素子およびその駆動方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光書き込み型の空間光変調素子は、ＴＦ
Ｔ液晶パネルやＣＲＴなどに代わる大画面投写型ディス
プレイ装置の中核として注目されている。空間光変調素
子は２次元的な画像パターンの光増幅を行う素子であ
り、光導電層と光変調層とを主な構成要素としている。
光導電層の側から低輝度な画像情報を入射させるとその
強度パターンに応じて光導電層の電気的特性が変調さ
れ、さらにこれによって光変調層の光学的特性が変調さ
れる。そして、光変調層の側から高輝度の読み出し光を
入射することにより増幅された画像情報を出力すること
ができる。

【０００３】光導電層としては、ＣｄＳ、結晶Ｓｉ、ア
モルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ：Ｈ）等が用いられるが、と
りわけａ−Ｓｉ：Ｈは書き込み光に対する感度の高さ、
暗伝導度の低さ、膜形成の自由度の大きさなどの点で優
れた特性を持っているため、広く用いられている。な
お、書き込まれた画像の消去を特別な消去用のパルス光
なしで行うため、光導電層には整流性をもたせることが
多い。

【０００４】光変調層としては、電気光学結晶または液
晶などが用いられるが、中でも表面安定化強誘電性液晶
（ＳＳＦＬＣ；以下、単に強誘電性液晶と呼ぶ）は従来
のツイステッド・ネマティック（ＴＮ）型の液晶に比べ
て高速応答が得られる（１００μｓｅｃ程度）という特
徴があり、非常に注目されている。

【０００５】従来より強誘電性液晶は双安定性（２値特
性）を持つことが知られている。すなわち、印加電界の
極性に応じて強誘電性液晶分子の自発分極の向きが変わ
り、ＯＮ（またはＵＰとも呼ぶ）およびＯＦＦ（または
ＤＯＷＮ）の２つの異なる光学的状態をとる。このこと
は、例えば、文献「アプライド・フィジクス・レター
ズ」第３６巻（１９８０年）第８９９頁から第９０１頁
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ３６（１９８
０）Ｐ．８９９−９０１）に詳しく述べられている。

【０００６】さて、実際に強誘電性液晶をディスプレイ
などに用いるためにはＯＮおよびＯＦＦのみならず、こ
れらの間の中間状態が表示できなければならない。この
ような中間状態を得る方法としては、外部からの印加電
界ではなく、印加電荷量によって制御するという方法が
ある。強誘電性液晶はPsで表される自発分極を持ってい
るため、分極反転を起こすためには概ね２Psの電荷を外
部から注入してやる必要があるが、注入電荷の量を２Ps
以下の範囲で制御できればＯＦＦからＯＮへの完全な移
行が起こらず、中間の状態が実現される。この方法は、
例えば文献「フェロエレクトリックス」第１２２巻（１
９９１年）第８９頁から第９９頁（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃ
ｔｒｉｃｓ，ｖｏｌ１２２（１９９１）Ｐ．８９−９
９）や、文献「ジャーナル・オヴ・アプライド・フィズ
ィクス」第６６巻（１９８９年）第１１３２頁から第１
１３６頁（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６６（１９８９）
Ｐ１１３２−１１３６）に記載されている。ただし、こ
れらの報告においては、ＯＮ状態のドメインとＯＦＦ状
態のドメインとが面積的に分布して巨視的に中間状態に
見えるだけであり、微視的に見れば強誘電性液晶は２値
特性を保っている（面積階調）。つまり、強誘電性液晶
が一様にＯＮでもＯＦＦでもない第３の状態になってい
るというわけではない。

【０００７】さて、強誘電性液晶と整流性を有する光導
電層（ｐｉｎ構造のａ−Ｓｉなど）によって構成される
空間光変調素子を駆動する場合、駆動電圧波形として
は、図２（ａ）に示すような矩形波状のもの（消去パル
ス２０１及び書き込み電圧期間２０２より成る）や、図
２（ｂ）に示すようなもの（消去パルス２０３、第一の
低電圧期間２０４、書き込みパルス２０５、および第二
の低電圧期間より成る）が一般的である。図２（ａ）
は、例えば、文献「アイ・イー・イー・イー・トランザ
クションズ・オン・エレクトロン・デバイスィズ」第３
６巻（１９８９年）第２９５９頁から第２９６４頁（Ｉ
ＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎＥｌｅｃｔｒ
ｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ．ｖｏｌ３６（１９８９）Ｐ．２
９５９−２９６４）に用いられている。

【０００８】この駆動波形は、完全に正負が対称である
ため、強誘電性液晶の分解による経時変化が防げるとい
う利点がある反面、書き込み電圧期間２０２が負の非常
に大きな電圧となるため、書き込み光が無い状態でも強
誘電性液晶が分極反転をして（電界スイッチング）コン
トラストを低下させること、および出力光のデューティ
ー比が高々１／２しかないため明るさのロスになること
の問題点がある。図２（ｂ）は我々が提唱した方法であ
り、デューティー比をほぼ１にすることができるが、書
き込みパルス２０５印加時の電界スイッチングによるコ
ントラストの低下は防ぐことができないという問題があ
る。

【０００９】図３は以上の問題を解決するために用いら
れる駆動パルス波形である。これは例えば、文献「エス
・アイ・ディー・ダイジェスト」（１９９１年）第２５
４頁から第２５６頁（ＳＩＤ Ｄｉｇｅｓｔ（１９９
１）Ｐ．２５４−２５６）や米国特許第５，１７８，４
４５号明細書において用いられているもので、高電圧で
短い消去パルス３０１と低電圧で長い書き込み電圧期間
３０２からなっている。この駆動パルスにおいては書き
込み電圧期間３０２の電圧の絶対値を消去パルス３０１
の電圧の絶対値よりも小さくしているため電界によるス
イッチングを抑えることができ、また、書き込み電圧期
間３０２が長いため読み出し光のデューティー比もほぼ
１にできるので、投写型ディスプレイなどへの応用には
適した方式である。

【００１０】後者の文献では特に、コントラストの大き
い駆動をするための駆動電圧の条件についても触れてい
る。ただし、いずれにしても強誘電性液晶としてはＯＮ
とＯＦＦの２つの状態以外は安定にとることのできない
ものを用いており、前者においては上記の面積階調を用
いて中間調表示を実現している。また、後者では強誘電
性液晶の２値特性をそのまま用い、中間調表示は行って
いない。なお、上記文献では、書き込み光としてパルス
光（例えば、空間光変調素子駆動の一周期の長さに比べ
て発光時間の短い蛍光体をもつＣＲＴの発光）を用いて
いる。

【００１１】このような空間光変調素子を投写型ディス
プレイ、またはホログラフィーテレビジョンに用いる場
合、コントラストがよく、安定で制御性のよい中間調表
示ができることが必要とされる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の空
間光変調素子は、光変調層として２つの状態しか安定に
とることのできないものを用いていたため、中間調表示
としては面積階調を用いていたため、入力する画像が高
解像度になる（すなわち１画素の大きさが小さくなる）
に従って１画素あたりに含まれるドメインの数が少なく
なり、得られる階調の数が小さくなり中間調表示が困難
になるという問題があった。

【００１３】また、実際に空間光変調素子を駆動すると
きに、強誘電性液晶が中間的な状態をとるような印加電
荷量の範囲内での電荷制御を行っていない（例えば上述
の米国特許第５，１７８，４４５号明細書など）ため
に、高コントラストの中間調表示をするのが困難であっ
た。

【００１４】本発明は上記課題を解決するもので、投写
型ディスプレイなどに用いられる空間光変調素子におい
て、コントラスト比が高く、制御性のよい中間調表示を
得ることができる空間光変調素子およびその駆動方法を
提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の空間光変調素子は、対向する２枚の透明電
極間に光変調層及び光導電層を設け、前記光変調層は、
印加電荷量に応じて異なる光学的状態を示す光変調層で
あって、かつ、前記印加電荷量が第一の閾値電荷量以上
のときには第一の光学的状態を示し、前記印加電荷量が
第二の閾値電荷量以下のときには第二の光学的状態を示
し、前記印加電荷量が前記第一の閾値電荷量よりも小さ
く、かつ前記第二の閾値電荷量よりも大きいときには、
前記印加電荷量に対応して前記第一の光学的状態と前記
第二の光学的状態の間の光の波長のオーダーよりも巨視
的にみて一様な中間状態を示すものを用いる構成であ
る。

【００１６】また、前記光導電層は整流性を有し、逆方
向バイアス状態のときには入射される書き込み光の強度
に応じた大きさをもつ光電流を発生させるものを用いる
のが望ましい。また、前記光変調層は、２つの配向膜に
よって挟まれた強誘電性液晶層を含んでいるものを用い
るのが望ましい。また、前記配向膜の比抵抗は１０⁸Ω
・ｃｍ〜１０¹¹Ω・ｃｍの範囲にあることが望ましい。

【００１７】さらに前記空間光変調素子の駆動方法は、
駆動電圧の波形の一周期が、光導電層を順方向バイアス
状態にして前記光変調層に第一の閾値電荷量より大きな
電荷量を印加する消去期間と、前記光導電層を逆方向バ
イアス状態にして書き込み光の強度に応じた大きさをも
つ光電流を発生させる書き込み期間からなり、前記書き
込み期間においては、前記書き込み光の強度が第一の閾
値光強度以下のときには前記光変調層に印加される電荷
量が前記第一の閾値電荷量以上の状態を保ち、前記書き
込み光の強度が第二の閾値光強度以上のときには前記光
変調層に印加される電荷量は前記第二の閾値電荷量以下
にまで減じられるように前記駆動電圧を前記２枚の透明
電極に印加する工程を含ませる。

【００１８】また、前記光変調層は、２つの配向膜によ
って挟まれた強誘電性液晶層を備えており、前記消去期
間の駆動電圧の最大値をVe、前記書き込み期間の駆動電
圧の最小値をVw、強誘電性液晶層の分極反転を伴わない
場合の強誘電性液晶層の容量をCf、前記光導電層の容量
をCa、光導電層の拡散電位をVd、強誘電性液晶層の閾値
電圧を−Vth として、これらの値が−Vth≦（CfVe＋CaV
w）／（Cf＋Ca）−VdかつVw−Vd≦−Vthの関係を満たす
ようにすることが望ましい。

【００１９】また、前記消去期間の駆動電圧Ve、および
前記書き込み期間の駆動電圧Vwが、１Ｖ≦Ve≦４０Ｖ
および −２０Ｖ≦Vw≦４Ｖの範囲にあることが望まし
い。

【００２０】また、前記強誘電性液晶層と前記光導電層
とが微小形状に分離された金属反射膜を介して電気的に
接触していることが望ましい。

【００２１】

【作用】中間調表示を得る原理について説明する。光変
調層として、一様で連続的な中間状態を示す媒体を用い
れば、入力する画像として高解像度のものを用いて１画
素あたりのドメインの数が少なくなっても（極端な場合
１つしかなくても）、ＯＮとＯＦＦの間の状態を連続的
に実現することができ、高解像度な中間調表示を行うこ
とができる。また、仮に印加電圧制御によってＯＮとＯ
ＦＦの２状態しか実現できない媒質であっても、電圧で
はなく外部から加える電荷量によってＯＮとＯＦＦの間
の一様な状態が安定に実現できる媒質であれば、電荷制
御型の外部回路構成にすることにより（例えば電圧源の
代わりに電流源を接続することにより）中間状態を実現
することは可能である。特に電流源として、書き込み光
の強度によって異なる電流を発生するもの（整流性を有
する光導電層がこれにあたる）を用いれば、書き込み光
の強度によってこの中間状態を制御することが可能とな
る。

【００２２】これを実際に消去電圧期間と書き込み電圧
期間とからなる駆動電圧波形で動作させる場合を考え
る。いま、ＯＦＦ状態から中間状態へ移行する時点、及
び中間状態からＯＮ状態へ移行する時点での電荷量をそ
れぞれQ₁、Q₂とする。即ち、印加電荷量Ｑが、Ｑ≧Q₁で
あればＯＦＦ状態、Q₁＞Ｑ＞Q₂であれば中間状態、Q₂≧
ＱであればＯＮ状態であるとする。まず消去電圧が印加
されるときには光変調層への印加電荷量ＱはQ₁以上にな
り強制的にＯＦＦ状態に戻される。次に書き込み電圧期
間においては光導電層が書き込み光強度に応じた光電流
を発生する。ここで、書き込み光が十分に小さければ書
き込み電圧期間内においてＱ≧Q₁の状態を保つように
し、書き込み光が十分に大きければ電荷量ＱをQ₂以下に
まで変化させるのに十分な光電流を発生するようにすれ
ば、ＯＦＦ状態からＯＮ状態の間の広いレンジで中間状
態が実現でき、結果としてコントラストの高い中間調表
示ができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。本発明にかかわる空間光変調素子の
一例を図６に示す。これは透明な基板６０１（例えばガ
ラス）上に透明導電性電極６０２（例えばＩＴＯ、Ｚｎ
Ｏ、ＳｎＯ₂ など）を形成し、整流性を持つ光導電層
（または受光層）６０６を構成し、その上に微小形状に
分離された金属反射膜６０７（例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｃ
ｒ、Ａｇなどの金属、または２種以上の金属を積層した
もの）を形成し、液晶を配向させるための配向膜６０８
（例えばポリイミド等の高分子薄膜）をその上から形成
したものである。そして、もう一方の基板６１２（例え
ばガラス）上にも透明導電性電極６１１（例えばＩＴ
Ｏ、ＺｎＯ、ＳｎＯ₂ など）を形成し、その上から配向
膜６１０（例えばポリイミド等の高分子薄膜）を塗布
し、最後にこれらをある間隙をもたせて張り合わせて、
間隙部分に強誘電性液晶６０９を注入したものである。

【００２４】光導電層６０６に使用する材料は例えば、
ＣｄＳ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，Ｇａ
Ａｓ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＰ等の化合
物半導体、Ｓｅ，ＳｅＴｅ，ＡｓＳｅ等の非晶質半導
体、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｉ_1-xＣ_x，Ｓｉ_1-xＧｅ_x，Ｇｅ_1-x
Ｃ_x(0<x<1)の多結晶または非晶質半導体、また、（１）
フタロシアニン顔料（Ｐｃと略す）例えば無金属Ｐｃ，
ＸＰｃ（Ｘ＝Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＴｉＯ，Ｍｇ，Ｓｉ
（ＯＨ）₂ など），ＡｌＣｌＰｃＣｌ，ＴｉＯＣｌＰｃ
Ｃｌ，ＩｎＣｌＰｃＣｌ，ＩｎＣｌＰｃ，ＩｎＢｒＰｃ
Ｂｒなど、（２）モノアゾ色素，ジスアゾ色素などのア
ゾ系色素、（３）ペニレン酸無水化物およびペニレン酸
イミドなどのペニレン系顔料、（４）インジゴイド染
料、（５）キナクリドン顔料、（６）アントラキノン
類、ピレンキノン類などの多環キノン類、（７）シアニ
ン色素、（８）キサンテン染料、（９）ＰＶＫ／ＴＮＦ
などの電荷移動錯体、（１０）ビリリウム塩染料とポリ
カーボネイト樹脂から形成される共晶錯体、（１１）ア
ズレニウム塩化合物など有機半導体がある。

【００２５】また、非晶質のＳｉ，Ｇｅ，Ｓｉ_1-xＣ_x，
Ｓｉ_1-xＧｅ_x，Ｇｅ_1-xＣ_x（以下、ａ−Ｓｉ，ａ−Ｇ
ｅ，ａ−Ｓｉ_1-xＣ_x，ａ−Ｓｉ_1-xＧｅ_x，ａ−Ｇｅ_1-x
Ｃ_xのように略す）を光導電層６０６に使用する場合、
水素またはハロゲン元素を含めてもよく、誘電率を小さ
くするおよび抵抗率の増加のため酸素または窒素を含め
てもよい。抵抗率の制御にはｐ型不純物であるＢ，Ａ
ｌ，Ｇａなどの元素を、またはｎ型不純物であるＰ，Ａ
ｓ，Ｓｂなどの元素を添加してもよい。このように不純
物を添加した非晶質材料を積層してｐ／ｎ，ｐ／ｉ，ｉ
／ｎ、ｐ／ｉ／ｎなどの接合を形成し、光導電層６０６
内に空乏層を形成するようにして誘電率および暗抵抗ま
たは動作電圧極性を制御してもよい。このような非晶質
材料だけでなく、上記の材料を２種類以上積層してヘテ
ロ接合を形成して光導電層６０６内に空乏層を形成して
もよい。また、光導電層６０６の膜厚は０．１〜１０μ
ｍが望ましい。

【００２６】この素子の具体的な作成方法の一例につい
て述べる。まず、ガラスの基板６０１（４０ｍｍ×４０
ｍｍ×０．３ｍｍ）上にスパッタ法により透明導電性電
極６０２としてのＩＴＯ薄膜を堆積する。ＩＴＯ膜の厚
さは１０００Åとした。そして、光導電層６０６として
ｐｉｎ構造のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を
プラズマＣＶＤ法により堆積する。このときのｐ層６０
３、ｉ層６０４、ｎ層６０５の厚みはそれぞれ１０００
Å、１７０００Å、２０００Åであり、合計で２μｍに
なるようにした。ｐ層６０３には不純物としてＢ（ホウ
素）を４００ｐｐｍ、ｎ層６０５にはＰ（燐）を４０ｐ
ｐｍ添加した。ｉ層６０４は無添加である。

【００２７】次に金属反射膜６０７を作成するために真
空蒸着法により全面にＣｒを形成した。その後フォトリ
ソグラフィーを用いて微小形状に分割した。このときの
金属反射膜６０７の大きさは２０μｍ□であり、画素間
の幅は５μｍとした。また、画素数は１０⁶ （１０００
×１０００）とした。この上からスピンコート法によっ
てポリアミック酸を塗布し、熱硬化を行ってポリイミド
の配向膜６０８を形成した。この時のポリイミドの厚み
は１００Åとした。配向処理はナイロン布で配向膜６０
８上を一方向に擦ることにより行った。もう一方の基板
６１２（ガラス）上にも同様にしてＩＴＯの透明導電性
電極６１１を形成し、ポリイミドの配向膜６１０を形成
して配向処理を行った。

【００２８】次にこの基板６１２上に直径１μｍのビー
ズを分布させてもう一方の基板６０１を張り合わせるこ
とにより両基板間に１μｍのギャップを形成した。最後
にこのギャップに強誘電性液晶６０９を注入して熱処理
を行うことにより空間光変調素子６１３が完成した。

【００２９】空間光変調素子の別の構成例を図７に示
す。これは基本的な構造は図６の空間光変調素子６１３
と同じであるが、異なるところとしては以下の所があ
る。 （１）基板７０１と透明導電性電極７０３の間に例えば
Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇなどの金属からなる入力遮光膜
７０２を形成して、書き込み光により画素分離７１５部
分の抵抗が下がって画素７１６間のクロストークが生じ
ることによる解像度の低下を防ぐ。 （２）隣合う金属反射膜７１０の間の光導電層７０７の
ｎ層７０６の全部及びｉ層７０５の一部をエッチングに
より除去し、溝を形成する。これにより隣合う金属反射
膜７１０間が低抵抗なｎ層によってつながることがな
く、電気的に分離され解像度が向上する。なお、溝の堀
込みは、ｐ層７０４に達するまで行っても差し支えな
い。 （３）（２）で形成した溝の底に例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｔ
ｉ、Ａｇなどの金属からなる出力遮光膜７０８を形成す
る。これにより、読み出し出力光が光導電層７０７の側
へ回り込むことによるスイッチング誤動作がなくなり、
読み出し光強度を大きくできる。 （４）溝の部分に有機出力遮光膜７０９を入れてある。
これによりさらに読み出し光に対する遮光度が向上す
る。

【００３０】なお、図７において、強誘電性液晶７１
１、配向膜７１２、基板７１４は図６と同様の構成であ
る。

【００３１】この他にも、例えば図６において金属反射
膜６０７のかわりに全面に誘電体の反射膜を形成した構
造の空間光変調素子もある。これを図８に示す。この空
間光変調素子８０８は、対向する２枚の基板８０１、８
０７（それぞれ透明導電性電極８０２、８０６を有す
る）の間に光導電層８０３、誘電体反射膜８０４、強誘
電性液晶層８０５、配向膜（図示せず）を挿入したもの
である。

【００３２】次に、図７の空間光変調素子７１７を例に
とり、駆動方法および動作原理について述べる。２枚の
透明導電性電極７０３，７１３間に印加する駆動電圧波
形の一例としては、図３に示すような消去パルス３０１
（電圧Ve、時間Te）および書き込み電圧期間３０２（電
圧Vw、時間Tw）の連続したものを用いる。

【００３３】いま、図７の空間光変調素子７１７の一画
素部分を取り出すと、図９に示すように、強誘電性液晶
層９０３と光導電層９０２（書き込み光９０４によって
制御される）が駆動電圧源９０１に直列に接続されたも
のとみなすことができる。ここで、駆動電圧をVin 、強
誘電性液晶層９０３にかかる電圧をVf、光導電層９０２
にかかる電圧をVa（＝Vin −Vf）とする。金属反射膜７
１０の電位はVfとなる。

【００３４】光導電層９０２はダイオード特性を有し、
順方向バイアス印加時には低抵抗状態となり、逆方向バ
イアス印加時には高抵抗状態となり光電流を発生する。
簡単のため、理想的ダイオード特性（順方向抵抗は０、
逆方向抵抗は無限大）を仮定し、また、逆方向バイアス
時の暗電流は光電流に比べて無視できるほど小さいと仮
定すると、光導電層の暗時電流電圧特性１００１および
光照射時電流電圧特性１００２は図１０で表わされるよ
うなものになる。ここで、Vdはダイオードの拡散電位で
あり、光照射時電流電圧特性１００２の曲線と横軸の交
点におけるVaの値と定義できる。Vdは通常０．１Ｖ〜５
Ｖ程度の値である。また、Iph は光電流であり、書き込
み光強度Ｌとの間には、（式１）の関係がある。 （式１） Iph＝（ηｅ／ｈν）Ｌ この式において、ｅは電子の電荷、ｈνは光子のエネル
ギー、ηは光子によるキャリア発生の量子効率である。
なお、光導電層９０２が逆方向バイアス状態の場合で過
渡的な現象を扱うときには、図１１に示すように光導電
層１１０２は電流源Iph と光導電層の容量Ca（＝εaε0
／da；εa は光導電層の比誘電率、ε0は真空の誘電
率、daは光導電層の厚さ）の並列回路とみなして解析す
ればよい。なお、この図で、駆動電圧源１１０１、強誘
電性液晶層１１０３、書き込み光１１０４の構成は図９
と同じである。

【００３５】強誘電性液晶層１１０３は抵抗は非常に大
きいため容量成分のみとみなせばよい。液晶の分極反転
が伴わない場合には強誘電性液晶層１１０３の幾何学的
形状によって決まる容量Cf（＝εfε0／df；εf は分極
反転を伴なわない場合の液晶の誘電率、dfは液晶層の厚
み）とみなせる。しかし、分極反転が伴うときには、分
極の履歴特性を考慮せねばならない。強誘電性液晶は印
加電圧Vfと分極状態Ｐとの間に一般に図１２（ａ）に示
すような履歴特性が存在する。これは、例えば印加電圧
が正から負へと移行するときにはＡ→Ｇ→Ｂ→Ｃ→Ｄの
経路をたどるが負から正へと移行するときにはＤ→Ｃ→
Ｅ→Ｇ→Ａという経路をたどることを示す。ここで、Ps
は自発分極の大きさであり、Vth または−Vth はスイッ
チングの閾値電圧である。

【００３６】いま、金属反射膜７１０に蓄積される電荷
Ｑは、分極反転を考慮に入れると（式２）のように表わ
され、液晶層の透過率Ｔは、分極状態Ｐによって（式
３）のように表せる。 （式２） Ｑ＝CfVf＋Ｐ （式３） Ｔ＝（１−Ｐ／Ps）／２ さて、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄの経路を考えた場合（式２）、
（式３）によると、まずＡ→Ｂにおいては、Ｐ＝Ps、Ｔ
＝０、そしてＱ＝CfVf＋Ps（但し、Vf≧−Vth 、Ｑ≧−
CfVth ＋Ps）である。そしてＢ→Ｃにおいては、Ｐ＝Ｑ
＋CfVth 、Ｔ＝［１−（Ｑ＋CfVth ）／Ps］／２（ただ
し、Vf＝−Vth 、−CfVth −Ps＜Ｑ＜−CfVth ＋Ps）で
ある。そして、Ｃ→Ｄにおいては、Ｐ＝−Ps、Ｔ＝１、
そしてＱ＝CfVf−Ps（ただし、Vf≦−Vth 、Ｑ≦−CfVt
h −Ps）である。これらのことを考慮して電荷量Ｑと透
過率Ｔの関係を図示すると、図２１のようになる。ただ
しここでQ₁、Q₂は（式４）で定義される閾値電荷量であ
る。 （式４）Q₁＝−CfVth＋Ps Q₂＝−CfVth−Ps また、この図でＡ〜Ｄの記号は図１２（ａ）のそれと対
応する。これによると、確かにＯＦＦ状態（ＡＢ間；Q₁
＜Ｑ）およびＯＮ状態（ＣＤ間；Ｑ＜Q₂）以外の中間状
態（ＢＣ間；Q₂＜Ｑ＜Q₁）が生じていることが分かる。
中間状態は、＋Psの分極と−Psの分極状態が面積的に分
布している状態、もしくは強誘電性液晶の分子が一様に
分極反転の途中にある状態と考えられる。

【００３７】なお、図１２（ａ）の特性は非常に理想的
な場合であり、実際は図１２（ｂ）や図１２（ｃ）のよ
うに閾値電圧が明確な値をもたずに、スイッチングの中
間状態（ＢＣ間）での電圧値が幅をもつことがある。こ
の場合でも、中間状態において傾きｄＰ／ｄVfがCfに比
べて十分大きければ以下の解析は近似的に当てはめられ
る。このときはＡ→Ｇ→Ｂ→Ｃ→Ｄの曲線において、分
極反転が１０％進行したところ（Ｔ＝０．１、すなわち
Ｐ＝（４／５）Psとなるところ）のVfの値を−Vth （Vt
h ＜０となることも有り得る）とすればよい。なお、こ
の曲線自体が原点に関して点対称にならないことも有り
得るが、その場合はＤ→Ｃ→Ｅ→Ｇ→Ａのほうは無視し
てＡ→Ｇ→Ｂ→Ｃ→Ｄのみを用いて−Vth を求めればよ
い。図１２（ｂ）、（ｃ）の場合も図２１と同様のＱ−
Ｔ曲線を描くことができる。いずれもQ₁およびQ₂は、
（式５）に示すようになる。 （式５）Q₁＝CfV_B＋Ps≒−CfVth＋Ps Q₂＝CfV_C−Ps ただし、V_BおよびV_Cは、Ｂ点およびＣ点における電圧値
である。

【００３８】以上のことをふまえて図１の駆動パルス波
形図を用いて空間光変調素子の動作を説明する。図中１
０１は消去パルス、１０２は書き込み電圧期間、１０３
は駆動電圧（Vin）、１０４は強誘電性液晶層への印加
電圧（Vf；消去パルス時）、１０５ａは強誘電性液晶層
への印加電圧（Vf0＞−Vth）、１０５ｂは強誘電性液晶
層への印加電圧（Vf0＝−Vth）、１０５ｃは強誘電性液
晶層への印加電圧（Vf0＜−Vth）、１０６は強誘電性液
晶層の閾値電圧、１０７ａは読み出し光強度（Vf0＞−V
th）、１０７ｂは読み出し光強度（Vf0＝−Vth）、１０
７ｃは読み出し光強度（Vf0＜−Vth）である。

【００３９】まず、消去パルス１０１が印加されたとき
（Vin ＝Ve）を考える。このパルスの長さTeと電圧値Ve
が十分であれば、光導電層９０２は順方向状態となり強
誘電性液晶層９０３はＯＦＦ状態（図１２でＡの点に対
応、Ｐ＝Ps）になる。このとき、強誘電性液晶層９０３
への印加電圧は破線で表されるようにVf＝Ve−Vdとな
る。また、印加電荷は、Ｑ＝Cf（Ve−Vd）＋Ps（＞Q₁）
となる。

【００４０】次に、駆動電圧がVin＝VeからVin＝Vwへと
変化した瞬間（時刻ｔ＝０とする）を考える。この瞬間
に電流が流れ、容量としての強誘電性液晶層９０３及び
光導電層９０２への蓄積電荷が変化する。光導電層９０
２の容量はCaであり、また、強誘電性液晶層９０３はこ
の瞬間には慣性により分極反転は追随しないので（式
５）でＰの値は変化せず、Ｐ＝Psのままである。いま、
この瞬間におけるVfの値をVf0 とすると、金属反射膜部
分における電荷の保存を考えて、（式６）が成り立つ。 （式６） （CfVf0＋Ps）−｛Cf（Ve−Vd）＋Ps｝＝Ca｛(Vw−Vf0）−Vd｝ ただし、強誘電性液晶層９０３での電荷は（式２）を用
い、この瞬間での光電流は無視した。（式６）より、Vf
0は、（式７）と表せる。 （式７） Vf0 ＝（CfVe＋CaVw）／（Cf＋Ca）−Vd また、このときの印加電荷量をQ₀とすると、（式８）と
なる。 （式８） Q₀＝CfVf0＋Ps＝Q₁＋Cf（Vf0＋Vth） 次に、書き込み電圧期間Twが無限に長いとした場合の電
位Vfの変化について考える。 （１）いま、Vf0≧−Vthの場合、すなわちQ₀≧Q₁の場
合、ｔ＝０での分極状態は図１２のＡＢ間にある（ＯＦ
Ｆ状態）。ｔ＞０においては、Ｂ点に達するまで光電流
Iph によってVfが変化する。この間の電位Vfの変化は、
図１１の回路によって、（式９）さらには（式１０）で
表される。 （式９） Ca（ｄ／ｄｔ）（Vw−Vf）−Iph＝ｄＱ／ｄｔ＝CfｄVf／ｄｔ （式１０） ｄVf／ｄｔ＝−Iph／（Cf+Ca） これを、ｔ＝０でVf＝Vf0 の初期条件で解いてVf、Ｐ、
Ｑ、および透過率Ｔを求めると、（式１１）となる。 （式１１）Vf＝Vf0 −Iphｔ／（Cf＋Ca） Ｐ＝Ps Ｑ＝Q₀−｛Cf／（Cf＋Ca）｝Iphｔ Ｔ＝０ Ｂ点に達する時刻ｔ＝t1は、Vf＝−Vth （すなわちＱ＝
Q₁）となるとき、つまり、（式１２）となる。 （式１２） t1＝（Cf＋Ca）（Vf0＋Vth）／Iph Ｂ点に達したあとはVf＝−Vth のままで分極反転が行わ
れる（図１２のＢＣ間）。この時の分極状態Ｐの変化
は、（式２）を用いて、（式１３）である。 （式１３） −Iph＝ｄＱ／ｄｔ＝ｄＰ／ｄｔ ｔ＝t1でＰ＝Psなので、Vf、Ｐ、Ｑおよび透過率Ｔは、
（式１４）となる。 （式１４）Vf＝−Vth Ｐ＝Ps−Iph（ｔ−t1） Ｑ＝Q₁−Iph（ｔ−t1） Ｔ＝（Iph／2Ps）（ｔ−t1） なお、この期間は、分極反転状態が光電流によって生じ
た電荷によって規定されていることを示している。分極
反転が完了する時刻、すなわち分極状態が図１２のＣ点
に達する（Ｑ＝Q₂）時刻t2は、（式１４）でＰ＝−Psと
なるとき、すなわち（式１５）で示す時である。 （式１５） t2＝t1＋2Ps／Iph ｔ＞t2においては、分極状態はＰ＝−Ps（一定）なの
で、Vfの変化は（式９）または（式１０）と同様に表さ
れる。ｔ＝t2でVf＝−Vth の元で解くと、（式１６）と
なる。 （式１６）Vf＝−Vth−Iph（ｔ−t2）／（Cf＋Ca） Ｐ＝−Ps Ｑ＝Q2−｛Cf／（Cf＋Ca）｝Iph（ｔ−t2） Ｔ＝１ 以上まとめると、書き込み電圧期間３０２でのVf、Ｔお
よびＱの変化は図１３に示すようになる。

【００４１】（２）次に、Vf0＜−Vth、すなはちQ₀＜Q₁
の場合を考える。ｔ＝０の瞬間においては液晶層のもつ
慣性のため分極反転は追随しないが、わずかの時間（数
十μ秒）のうちに分極反転が生じ、図１２のＢＣ間のあ
る分極状態に落ちつく。そして電位VfはVf0 へと落ちつ
く。この時の分極状態をＰ＝P₀とすると、電荷の保存に
より（式１７）となる。 （式１７） （−CfVth＋P₀）−（CfVf0＋Ps）＝Ca（Vw＋Vth）−Ca（Vw−Vf0） すなわち、（式１８）となる。 （式１８） P₀＝Ps＋（Ca＋Cf）（Vth＋Vf0） なお、この過渡的な現象は一瞬のうちに起こるので、ｔ
＝０において平行状態Ｐ＝P₀になっているとして解析す
る。ｔ＞０においての分極状態Ｐの変化は図１２のＢＣ
間の経路であり、（式１３）に従って変化する。ｔ＝０
でＰ＝P₀とすると、Vf、Ｐ、ＱおよびＴは（式１９）で
表されることになる。 （式１９）Vf＝−Vth Ｐ＝P₀−Iphｔ Ｑ＝Q₁＋P₀−Ps−Iphｔ Ｔ＝｛１−（P₀−Iphｔ）／Ps｝／２ 図１２でＣ点に達するのはＰ＝−Psのときであり、この
時の時刻t3は、（式２０）となる。 （式２０） t3＝（P0＋Ps）／Iph ｔ＞t3でのVfは、（式１０）と同様に表されるので、
（式２１）となる。 （式２１）Vf＝−Vth−Iph（ｔ−t3）／（Cf＋Ca） Ｐ＝−Ps Ｑ＝Q₂−｛Cf／（Cf＋Ca）｝Iph（ｔ−t3） Ｔ＝１ 以上まとめると、書き込み電圧期間３０２でのVf、およ
びＴの変化は図１４に示すようになる。

【００４２】次に、以上の（１）、（２）の各場合に、
出力光強度Ｙが、入力光強度Ｌに対してどのように変化
するかについて解析する。以上ではTwは無限に大きいと
して消去パルス３０２の後の経過について解析したが、
実際の駆動パルス波形ではｔ＝Twで再びリセットがかか
り、以降の各周期で同様の動作が繰り返される。従って
出力光強度として観測されるのは、（数１）に示すよう
に透過率Ｔ＝Ｔ（ｔ）の書き込み電圧期間３０２（０≦
ｔ≦Tw）における時間平均値である。

【００４３】

【数１】

【００４４】さて、入力光強度Ｌが変化すると（式１）
に応じて光電流Iph が変化して、（式１２）、（式１
５）、または（式２０）の時刻t1、t2またはt3の値が変
わる。Twを固定した場合、Ｌに応じてt1、t2またはt3と
Twの大小関係が入れ替わり、（数１）の積分区間に入る
領域が異なって表式が異なってくる。このことを考えて
実際に（数１）のＹを計算すると、 （１）Vf0≧−Vthのとき、（式２２）となり、 （式２２） Ｙ＝０ （Ｌ＜L1） Ｙ＝（Ｌ／2Ls）（１−L1／Ｌ）² （L1≦Ｌ≦L1＋L
s） Ｙ＝１−（2L1＋Ls）／2Ｌ （L1＋Ls＜Ｌ） （２）Vf0＜−Vthのとき、（式２３）となる。 （式２３） Ｙ＝（Ｌ−2L1）／2Ls （Ｌ＜L1＋Ls） Ｙ＝１−（L1＋Ls）²／2LsＬ （L1＋Ls≦Ｌ） ここで、L1とLsは（式２４）で示される。 （式２４） L1＝（ｈν／ηｅ）（Cf＋Ca）（Vf0＋Vth）／Tw Ls＝（ｈν／ηｅ）（2Ps／Tw） これにより入力光強度Ｌと出力光強度Ｙの関係をグラフ
にすると図１３のようになる。図１５において、（ａ）
はVf0＞−Vthの場合、（ｂ）はVf0 ＝−Vth の場合、
（ｃ）はVf0＜−Vthの場合である。これからわかるよう
に、（ａ）の場合は、書き込み光強度がある値L1に達す
るまでは読みだし光強度が立ち上がらないが、Ｌ＞L1に
おいては、書き込み光強度と共に読み出し光強度は増加
し、Ｌ＞L1＋Lsにおいて概ね書き込み光強度に依存しな
い光出力が得られる。

【００４５】（ｂ）の場合は、入力光強度が小さい領域
で出力光強度と読みだし光強度が概ね比例している。こ
の場合は、入力画像がそのままの階調で増幅されて出力
されることを示す。

【００４６】（ｃ）の場合は入力光強度が０のときでも
出力光強度が０でない有限の値となり、出力画像のコン
トラストが低下することになる。以上の結果により、
（１）の場合に、コントラストを悪化することなく階調
表示が可能となる。

【００４７】さて以上の（１）、（２）の各場合におい
て、（式１６）または（式２１）によれば、Vfは無限に
小さくなることになるが、これは光導電層が光電流を発
生し得る状態、すなわち逆方向バイアス状態を保ってい
る範囲内での挙動である。実際、Vf＝Vw−Vdに達すると
書き込み光強度をどんなに強くしても光導電層はもはや
光電流を発生しなくなり、VfはVw−Vdより小さくはなら
ない。すなわち、Ｑには下限があることになる。この下
限は、（式２５）で表せる。 （式２５） Q_lo＝Cf（Vw−Vd）＋Ps （Vw−Vd＞−Vthの場合） Q_lo＝Cf（Vw−Vd）−Ps （Vw−Vd≦−Vthの場合） ＯＮ状態に達するためには、Q_lo≦Q₂、すなわち（式２
６）を満たしていなければならない。 （式２６） Vw−Vd≦−Vth 以上より、最適なコントラストを得るための条件として
は、（式２７）であることが導かれる。 （式２７） −Vth≦（CfVe＋CaVw）／（Cf＋Ca）−Vd かつ Vw−Vd≦−Vth なお、以上の動作原理は、図９の回路で表される空間光
変調素子、つまり図６や図７のように光導電層と強誘電
性液晶層の間が金属反射膜によって接しているもののみ
に適応される。しかし、図８のように、誘電体の反射膜
（または光吸収層、オーバーコート層なども含む）を有
するものでも、これらと液晶層とを合わせたものを一つ
の光変調層とみなして、印加電圧Vfと分極Ｐ（または透
過率Ｔ）の関係を測定して図１２のような曲線を得るこ
とができれば、−Vth を知ることができる。

【００４８】なお、以上では書き込み光は連続光として
いたが、例えばＣＲＴの蛍光体の発光やパルス発振レー
ザーからの光、またはチョッパを通した光のように不連
続な光の場合、（式２２）（式２３）、及び（式２４）
の式の形は変わってくるが、電荷Ｑに関する条件、また
は（式２７）の条件はそのまま成り立つものである。

【００４９】ここで、上記の議論は一様な状態であろう
と、面積階調の状態であろうと成立するものである。し
かし、十分な解像度と階調数を共に得るためには、前者
の状態であることが望ましい。ここでは、このような状
態を得るための条件について述べる。いま、強誘電性液
晶の１画素分の等価回路を、配向膜の厚さ方向の抵抗を
考慮して描くと図５（ａ）のようになる。これは、強誘
電性液晶１ドメイン分の容量C_Fと、それに接する部分の
配向膜の厚さ方向の抵抗R_Aの直列接続が、並列に複数配
列されたものである。

【００５０】さて初期状態がＯＦＦ状態、即ち強誘電性
液晶の分極が一様に上方向（↑）を向いた状態であった
とする。そして、１ドメインを丁度分極反転させるだけ
の電荷が外部から注入されたとする。そのときの瞬間に
おける状態は、図５（ｂ）に示すような面積階調状態で
あったり図５（ｃ）に示すような一様状態であったりす
る。ところが、もし図５（ｂ）の状態になったとする
と、隣合うドメイン間の配向状態が異なるのでこれらの
間に応力が作用し、より安定な図５（ｃ）の一様な配向
状態へと遷移しようとする。しかし、この遷移は印加電
荷の移動（面内平均化）によって律速される。従って、
遷移が速やかに起こるためには電荷の移動が迅速に行わ
れる必要がある。そのためには配向膜の抵抗R_A（または
抵抗率）を十分小さくすればよい。

【００５１】（実施例１）まず、液晶の中間状態につい
ての検討を行った。配向膜を形成した透明電極／ガラス
基板を２枚張り合わせて１μｍのギャップを形成し、こ
の中に強誘電性液晶を注入して液晶パネルを形成した。
これは図６の空間光変調素子から光導電層６０６、およ
び金属反射膜６０７を除去したものと同じ構成であり、
単純パネルと呼ぶ。いろいろな種類の配向膜を用いて単
純パネルを構成した。

【００５２】いま、充電したコンデンサ（コンデンサの
容量は単純パネルのそれよりも十分小さくする）を単純
パネルに並列に接続し、単純パネルに電荷を注入して、
その時の強誘電性液晶の配向状態を偏光顕微鏡でクロス
ニコル状態の下で観察した。注入する電荷の量は、強誘
電性液晶を完全分極反転するのに必要な電荷量より小さ
い値にした。すると、いずれの場合も強誘電性液晶は中
間状態をとったが、これには２つの場合があった。第一
はＯＮ状態とＯＦＦ状態とがドメイン単位で面積的に分
布しているのが確認されるものであり、第二はこのよう
なドメイン構造が確認されないものであった。第二の場
合はパネルを偏光顕微鏡のステージ上で回転させたとき
に全面が一様に暗くなる位置があることが確認され、全
面が光学的に一様な状態であることがわかった。これは
各ドメインが全て同じ方向に配向していてその境界線が
見えなくなっているものと考えられる（ドメインの大き
さは光の波長、すなわち偏光顕微鏡の分解能よりは十分
に大きいと考えられる）。

【００５３】ここで、一様な状態をとったのは、配向膜
として例えば、文献「ジャーナル・オヴ・フォトポリマ
ー・サイエンス・アンド・テクノロジー」第３巻（１９
９０年）第７３頁から第８１頁（Ｊ．Ｐｈｏｔｏｐｏｌ
ｙｍ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．
１（１９９０）Ｐ．７３−８１）に記載されている一連
の導電性ポリイミドのように抵抗率の小さい（１０¹¹Ω
・ｃｍ以下）ものであった。なお、この一様な状態は約
数秒間安定に実現された。この時間が有限なのは、印加
電荷が強誘電性液晶自体の漏れ抵抗によって減衰するこ
とに起因している。いずれにせよこれは強誘電性液晶の
スイッチング時間（約１００μｓｅｃ）に比べてはるか
に長い時間であり、安定状態とみなすことができる。ま
た、この中間状態での強誘電性液晶は、注入する電荷の
量により異なる配向方向を示した。これにより、注入電
荷量によって配向方向、すなわち光学的状態を制御する
ことが可能であることがわかった。

【００５４】なお、配向膜としては、例えば上記のもの
の他にも、高抵抗の配向膜に導電性材料を混合したもの
や、適当な材料をドープして低抵抗化したもの等を用い
てもよい。また、配向膜を透明電極面に一面に塗らず
に、強誘電性液晶と透明電極とが直接接する部分をある
程度残しておいて等価的に配向膜の抵抗率を小さくし、
ドメイン間の電荷移動が速やかに起こるようにしてもよ
い。また、液晶パネルは通常読みだし光を照射して用い
るので、配向膜として光導電性を持つものを用いてもよ
い。

【００５５】以下の各実施例では主として上記の導電性
ポリイミドを用いた空間光変調素子について述べる。

【００５６】（実施例２）実際に図７の空間光変調素子
を用いて図３の駆動パルスにより駆動を行い、書き込み
光強度Ｌと読み出し光強度Ｙの関係を測定してみた。測
定に当たっては図１６の光学系を用いた。空間光変調素
子１６０１の読みだし側は、光源１６０４からの読み出
し入力光１６０７が偏光子１６０５、ビームスプリッタ
１６０６を介して空間光変調素子１６０１に入射され、
その時の読み出し出力光１６０８が検光子１６０９を介
して光検出器１６１０で観測される。

【００５７】また、空間光変調素子１６０１の書き込み
側は、光源１６０２からの書き込み光１６０３によって
照射する。また、偏光子１６０５と検光子１６０９が互
いに直交関係になっていて、空間光変調素子１６０１
は、ＯＦＦ状態での液晶層の配向方向が偏光子１６０５
の偏光方向に平行にしてある。出力光強度は光検出器１
６１０で観測される光強度の時間平均値を用いた。

【００５８】空間光変調素子１６０１の駆動には図３の
駆動パルスを用い、消去パルス３０１は電圧Ve＝＋１５
Ｖ、時間Te＝１００μ秒、書き込み電圧期間３０２は時
間をTw＝１１００μ秒に固定して電圧値Vwを変化させて
みた。結果は図１７の実測値のプロットに示すとおりで
ある。

【００５９】この図では、書き込み電圧Vwが（イ）−
５．４０Ｖ、（ロ）−４．０５Ｖ、（ハ）−２．７０
Ｖ、（ニ）−１．３５Ｖ、（ホ）０Ｖ、（ヘ）１．３５
Ｖの６つの場合が示してある。これによると、Vwが大き
くなるに従ってプロット全体がほぼ等間隔に右へシフト
するのがわかる。また、上の（イ）〜（ヘ）の範囲の任
意のVwの値についてそのときのＹ−Ｌの関係式は曲線の
補間により類推することが可能である。

【００６０】さて、これらの各場合についてVf0 を測定
し、Vf0−（−Vth）を計算すると、以下のようになる。

【００６１】

【表１】

【００６２】ここで、Vf0 の測定について補足する。図
７の空間光変調素子の各画素部分は面積が非常に小さい
（４００μｍ² ）ためにインピーダンスが大きく、直接
プローブを挿入して測定することは難しい。そこで、図
７の空間光変調素子の代わりに、全面（１０ｃｍ² ）に
金属反射膜に対応する電極を形成した空間光変調素子
（空間光変調素子の全面が非常に大きな１つの画素であ
るとみなせる）を用いて測定を行った。電極にプローブ
を挿入して、オシロスコープで消去パルス３０１から書
き込み電圧期間３０２へ移行した瞬間の電位を測定し
た。

【００６３】尚、Ca、Cf、及びVdをそれぞれ独立に測定
して求め、（式７）によってVf0 を計算してもほぼ（表
１）のVf0 の値と一致する。

【００６４】また、Vth についてであるが、これは単純
パネル（透明導電性電極の形成された２枚の基板の間に
液晶を注入したもの）を作製し、印加電圧と透過率の関
係を測定することにより、ほぼ０Ｖであることが確かめ
られた。

【００６５】さて、（表１）のVf0−（−Vth）の値と図
１７の実測値のプロットとを比べてみると、Vf0−（−V
th）が負のとき（（イ）、（ロ）の場合）には図１５
（ｃ）に対応し、正のとき（（ハ）〜（ヘ）の場合）に
は図１５（ａ）に対応する。これは先に述べてきた解析
によく一致する。

【００６６】図１７における１本の破線は、Vf0−（−V
th）＝０に対応する特性を先のプロットから類推して示
したものである。この破線よりも下の領域内であればコ
ントラストのよい応答が得られるといえる。すなわち、
Vf0≧−Vthが適当な条件であると結論される。

【００６７】なお、図１７において、（ヘ）の場合は、
書き込み光強度が大きくなっても出力光強度のほうが大
きくならないが、これは（式２６）の条件からはずれて
くるためである。実際、Vd＝０．７Ｖ、Vth ＝０Ｖとす
ると、（式２６）の条件はVw≦０．７Ｖとなり、（イ）
〜（ホ）はこれを満たしているが、（へ）は満たしてい
ないことがわかる。

【００６８】なお、ここでは図７の空間光変調素子につ
いて述べたが、図６の空間光変調素子についてもほぼ同
様のことが確かめられた。

【００６９】図８の空間光変調素子の場合は誘電体反射
膜８０４のためにスイッチング閾値電圧が不明瞭にな
る。実際に液晶層と誘電体反射膜を合わせたものを疑似
的な光変調層とみなし、これらで構成した単純パネルの
電圧透過率特性を測定すると図１８のように閾値電圧が
幅を持つようになる。これは、図１２（ｃ）の分極反転
特性に対応する。しかし、図に示すように透過率が最大
値に対して１０％立ち上がる位置での電圧を−Vth とす
るとやはり（式２７）の範囲で良好な直線性とコントラ
スト比が得られた。

【００７０】なお、図１７の実験に関しては、消去電圧
の値はVe＝１５Ｖであったが、Veが４０Ｖよりも大きく
なると強誘電性液晶が電界により分解して時間の経過と
共に劣化しやすくなり好ましくない。また、Veが１Ｖよ
り小さいと消去パルス印加期間内に十分なリセットをか
けることができなくなり好ましくない。

【００７１】また、書き込み電圧Vwが−２０Ｖよりも小
さくなると、Veが１Ｖ≦Ve≦４０Ｖの範囲のどの値であ
ってもVf0≧−Vthという条件を満たすのは困難になる。
一方、Vwが４Ｖを越えると、どの様な強誘電性液晶を用
いても（式２６）を満たすのは困難となる。

【００７２】なお、例えば図４（ａ）、（ｂ）に示すよ
うに、消去パルス期間４０１や、書き込み電圧期間４０
２において電圧値が一定でないような駆動パルス波形を
用いても差し支えはないが、この場合、消去パルス期間
４０１における最大値をVe、書き込み電圧期間における
最小値をVwと考えれば、やはり（式２７）が好ましい条
件となる。

【００７３】（実施例３）図７の空間光変調素子を用い
て投写型ディスプレイ装置を構成してみた。このときの
系を図１９に示す。これは、空間光変調素子１９０２へ
の書き込み光１９０７としてＣＲＴ１９０１に提示され
た画像を用い、読みだし側はメタルハライドランプから
の読み出し光１９０８を偏光子１９０５とビームスプリ
ッタ１９０４を介して空間光変調素子１９０２に照射
し、読みだし出力光１９０９を検光子１９０６、レンズ
１９１０を介して取り出してスクリーン１９１１上に写
し出したものである。空間光変調素子１９０２の画面は
２．５ｃｍ角であるが、これをスクリーン上で１００ｃ
ｍ角に拡大した。駆動電圧源１９０３で発生される駆動
パルスとしては実施例２と同様、Ve＝１５Ｖ、Te＝１０
０μｓｅｃ、書き込み電圧期間としてはTw＝１１００μ
ｓｅｃに固定し、Vwを（表１）の６種類の値に設定して
駆動してみた。

【００７４】いずれの場合にもスクリーン上で画像が観
測されたが、入力するＣＲＴ１９０１の画像の中間調表
示を良好なコントラストで再現していたのは（ハ）、
（ニ）および（ホ）の条件の場合であった。これは実施
例２での結果と一致し、最も理想的な場合に対応する。
これらの場合、画像の中間調表示特性が書き込み光強度
に対して非線形であるが、書き込む画像のγ特性の調整
により忠実な中間調表示を行うことが可能であった。こ
のときのスクリーン上での明るさは１０００ｌｘであっ
た。また、スクリーン上でのコントラスト比は４００：
１であった。スクリーン上では１画素が１ｍｍ角に拡大
されるが、このとき隣合う画素間のクロストークは観察
されず、きめの細かい画像が得られた。（イ）、（ロ）
の場合はコントラストが悪く全体に白に浮き上がった画
像となった。また、（ヘ）の場合は暗い画像しか得られ
ず、画面上での明るさは３００ｌｘであった。なお、Ｃ
ＲＴ１９０１の代わりにＴＦＴ液晶ディスプレイを用い
て書き込みを行った場合でも全く同様であった。

【００７５】次に、ＲＧＢ各々に対応したＣＲＴと空間
光変調素子をセットにしたものを３組用意して組合せた
系を構成し、スクリーン上で画像を合成した。これによ
り鮮明なカラー画像が得られた。

【００７６】（実施例４）次に、図７の空間光変調素子
を用いてホログラフィーテレビジョンを構成してみた。
空間光変調素子としては、画素数５０００×５０００、
画素ピッチ５μｍのものを使用した。このときの系を図
２０に示す。まず、空間光変調素子２０１２の書き込み
側２０１１においては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ−２００１か
らの光をビームエキスパンダ２００２で拡大する。そし
て、ビームスプリッタ２００３で２つに分け、一方の光
をミラー２００４を介して参照光２００９とし、もう一
方の光をミラー２００５、２００６を介して被写体２０
０７に照射し、その時の散乱光を物体光２０１０とす
る。ビームスプリッタ２００８で再びこれらの光を合わ
せて、空間光変調素子２０１２の書き込み側に干渉縞を
形成する。

【００７７】一方、空間光変調素子２０１２の読み出し
側２０２２は、同様にＨｅ−Ｎｅレーザー２０１４から
の光をビームエキスパンダ２０１５で拡大して読み出し
入力光２０２０とし、空間光変調素子２０１２に入射す
る。そして干渉縞を読み出して読み出し出力光２０２１
とし、偏光ビームスプリッタ２０１７を介してスクリー
ン２０１８に結像する。観測者２０１９はこのスクリー
ン２０１８上の像を観測する。なお、フィルター２０１
６はスクリーン上の像の明るさを調整するためのもので
ある。

【００７８】駆動電源２０１３で発生する駆動パルス
は、実施例２の５つの条件を用いた。これにより、スク
リーン２００６上では鮮明な立体像が得られた。被写体
２００８を動かすと、それに応じて出力像のほうもリア
ルタイムで動いた。実施例２の（ハ）、（ニ）、（ホ）
の条件の時に干渉縞の情報が最も高コントラストで出力
側に再現されるため、得られる立体像も最も鮮明で、ノ
イズの少ないものであった。

【００７９】なお、干渉縞の情報をＣＣＤカメラで撮影
し、この情報をＣＲＴに映し出して空間光変調素子に書
き込みを行った場合でも同様の結果が得られた。

【００８０】

【発明の効果】本発明は、高コントラスト、制御性がよ
く中間調表示ができる。また、本発明の駆動方法を用い
た投写型ディスプレイ装置は、コントラストがよく忠実
な中間調表示が得られる。また、本発明の駆動方法を用
いたホログラフィーテレビジョン装置はノイズの少ない
鮮明な立体像が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における空間光変調素子の駆動
方法を示す波形図

【図２】（ａ）は従来の駆動パルス波形の一例の波形図 （ｂ）は従来の駆動パルス波形の他の例の波形図

【図３】本発明の実施例における駆動パルスを示す波形
図

【図４】（ａ）は本発明の駆動パルス波形の実施例の特
殊な場合における一例の波形図 （ｂ）は本発明の駆動パルス波形の実施例の特殊な場合
における他の例の波形図

【図５】（ａ）は配向膜を考慮したときの強誘電性液晶
の等価回路図 （ｂ）は同面積階調状態を示す図 （ｃ）は同一様状態を示す図

【図６】微小形状に分割された金属反射膜を有する空間
光変調素子の構造の一実施例を示す断面図

【図７】金属反射膜を有する空間光変調素子の構造の別
の実施例を示す断面図

【図８】誘電体反射膜を有する空間光変調素子の構造の
さらに他の実施例の断面図

【図９】空間光変調素子の動作を示す回路図

【図１０】整流性を有する光導電層の電流電圧特性図

【図１１】図９において光導電層を等価回路で置き換え
た回路図

【図１２】（ａ）は強誘電性液晶層の分極反転特性を示
す図 （ｂ）は強誘電性液晶層の分極反転特性の他の例を示す
図 （ｃ）は強誘電性液晶層の分極反転特性のその他の例を
示す図

【図１３】空間光変調素子の金属反射膜部分の電圧と透
過率と電荷の時間変化を示すタイミング図

【図１４】空間光変調素子の金属反射膜部分の電圧と透
過率と電荷の時間変化を示す別のタイミング図

【図１５】（ａ）は空間光変調素子の入出力光強度の関
係を示す理論曲線の図 （ｂ）は同入出力光強度の関係の他の例を示す理論曲線
の図 （ｃ）は同入出力光強度の関係のさらに他の例を示す理
論曲線の図

【図１６】空間光変調素子の入出力光強度特性を測定す
るための系を示す図

【図１７】測定によって得られた空間光変調素子の入出
力光強度特性図

【図１８】スイッチング閾値電圧が不明瞭な場合の強誘
電性液晶層の透過率と電圧の関係を示す図

【図１９】投写型ディスプレイの系を示す図

【図２０】ホログラフィーテレビジョンの系を示す図

【図２１】印加電荷量の制御による中間状態を示す特性
図

【符号の説明】

１０１ 消去パルス １０２ 書き込み電圧期間 １０３ 駆動電圧（Vin） １０４ 強誘電性液晶層への印加電圧（Vf；消去パルス
時） １０５ａ 強誘電性液晶層への印加電圧（Vf0＞−Vth） １０５ｂ 強誘電性液晶層への印加電圧（Vf0＝−Vth） １０５ｃ 強誘電性液晶層への印加電圧（Vf0＜−Vth） １０６ 強誘電性液晶層の閾値電圧 １０７ａ 読み出し光強度（Vf0＞−Vth） １０７ｂ 読み出し光強度（Vf0＝−Vth） １０７ｃ 読み出し光強度（Vf0＜−Vth）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藏富 靖規 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 朝山 純子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 小川 久仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−109422（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向する２枚の透明電極間に光変調層及び
   光導電層を設け、前記光変調層は、印加電荷量に応じて
   異なる光学的状態を示す光変調層であって、前記印加電
   荷量が第一の閾値電荷量以上のときには第一の光学的状
   態を示し、前記印加電荷量が第二の閾値電荷量以下のと
   きには第二の光学的状態を示し、前記印加電荷量が前記
   第一の閾値電荷量よりも小さく、かつ前記第二の閾値電
   荷量よりも大きいときには、前記印加電荷量に対応して
   前記第一の光学的状態と前記第二の光学的状態の間の光
   の波長オーダーよりも巨視的にみて一様な中間状態を示
   す空間光変調素子。
2. 【請求項２】光導電層は整流性を有し、かつ逆方向バイ
   アス状態のときには入射される書き込み光の強度に応じ
   た大きさをもつ光電流を発生させる請求項１記載の空間
   光変調素子。
3. 【請求項３】光変調層は、２つの配向膜によって挟まれ
   た強誘電性液晶層を含んでいる請求項２記載の空間光変
   調素子。
4. 【請求項４】配向膜の比抵抗は、１０⁸ Ω・ｃｍ〜１０
   ¹¹Ω・ｃｍの範囲にある請求項３記載の空間光変調素
   子。
5. 【請求項５】強誘電性液晶層と光導電層とが微小形状に
   分離された金属反射膜を介して電気的に接触している請
   求項３記載の空間光変調素子。
6. 【請求項６】対向する２枚の透明電極の間に光変調層と
   光導電層を有し、前記光変調層は印加電荷量に応じて異
   なる光学的状態を示し、前記印加電荷量が第一の閾値電
   荷量以上のときには第一の光学的状態を示し、前記印加
   電荷量が第二の閾値電荷量以下のときには第二の光学的
   状態を示し、前記印加電荷量が前記第一の閾値電荷量よ
   りも少なくかつ前記第二の閾値電荷量よりも多いときに
   は、前記印加電荷量に対応して前記第一の光学的状態と
   前記第二の光学的状態の間の光の波長のオーダーよりも
   巨視的にみて一様な中間状態を示し、前記光導電層は整
   流性を有し、前記光導電層が逆方向バイアス状態のとき
   には前記光導電層に入射される書き込み光の強度に応じ
   た大きさをもつ光電流を発生させる空間光変調素子を駆
   動する方法であって、 駆動電圧の波形の一周期が、前記光導電層を順方向バイ
   アス状態にして前記光変調層に前記第一の閾値電荷量よ
   り大きな電荷量を印加する消去期間と、前記光導電層を
   逆方向バイアス状態にして書き込み光の強度に応じた大
   きさをもつ光電流を発生させる書き込み期間からなり、
   前記書き込み期間においては、前記書き込み光の強度が
   第一の閾値光強度以下のときには前記光変調層に印加さ
   れる電荷量が前記第一の閾値電荷量以上の状態を保ち、
   前記書き込み光の強度が第二の閾値光強度以上のときに
   は前記光変調層に印加される電荷量は前記第二の閾値電
   荷量以下にまで減じられるように前記駆動電圧を前記２
   枚の透明電極に印加する工程を含む空間光変調素子の駆
   動方法。
7. 【請求項７】光変調層は、２つの配向膜によって挟まれ
   た強誘電性液晶層を備えており、前記消去期間の駆動電
   圧の最大値をVe、前記書き込み期間の駆動電圧の最小値
   をVw、前記強誘電性液晶層の分極反転を伴わない場合の
   前記強誘電性液晶層の容量をCf、前記光導電層の容量を
   Ca、前記光導電層の拡散電位をVd、前記強誘電性液晶層
   の閾値電圧を−Vth として、これらの値が −Vth≦（CfVe＋CaVw）／（Cf＋Ca）−Vd かつ Vw−
   Vd≦−Vth の関係を満たす請求項６記載の空間光変調素子の駆動方
   法。
8. 【請求項８】前記消去期間の駆動電圧Veおよび書き込み
   期間の駆動電圧Vwが、１Ｖ≦Ve≦４０Ｖ 及び −２０
   Ｖ≦Vw≦４Ｖ の範囲にある請求項７記載の空間光変調
   素子の駆動方法。