JP2828156B2 - 光変調素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投写型表示装置等に用
いられる電気光学特性の極めて優れた光変調素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】表示装置には直視型の装置と投写型の装
置とがあり、投写型の装置としては液晶を使った光変調
素子を用いるものが既に実用化されている。図４は光変
調素子を用いた投写型表示装置の原理図である。図４に
おいて、光変調素子１０には書込み光学系から発せられ
る書込み光１１によって像が書込まれる。一方、光源１
３より発せられた光はコンデンサレンズ１４により平行
光とされた後、偏光ビームスプリッタ１５に入射し、そ
の入射光の内のＳ偏光成分は進行方向が接合面で反射し
直角に曲げられることにより、読出し光１２として光変
調素子１０に入射する。

【０００３】ここで、光変調素子１０の液晶層に像が描
かれていると、光変調素子１０で反射された反射光中に
は液晶層の像の濃淡に応じて変調を受け、Ｐ偏光成分が
含まれるようになる。この反射光中のＰ偏光成分は偏光
ビームスプリッタ１５をそのまま通過し、投写レンズ１
６を介してスクリーン１７上に像が投写される。従っ
て、光変調素子１０に書込まれている像がスクリーン１
７へ投写されることになる。

【０００４】図５はこの投写型表示装置に用いられる従
来の光変調素子１０の一例の構造を示す図である。図５
において、液晶層７の周りにはスペーサ８ａ，８ｂが配
され、液晶層７の両面には液晶配向層６ａ，６ｂが設け
られている。液晶配向層６ｂの外側には誘電体からなる
光反射層５が積層され、この光反射層５の外側には例え
ば非晶質水素化シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる光導
電層４が積層されている。そして、液晶配向層６ａ及び
光導電層４の外側には酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）や酸化イン
ジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）からなる透明電極３ａ，３ｂが配
され、透明基板２ａ，２ｂによって封止された構造とな
っている。

【０００５】このような構造の光変調素子１０におい
て、透明電極３ａ，３ｂ間には交流駆動電圧が印加さ
れ、書込み側から書込み光１１が照射されていない状態
での光導電層４の内部インピーダンスを液晶層７のそれ
よりも十分大きい値に設定しておくことにより、駆動電
圧は主に光導電層４に印加されることになる。そして、
書込み光１１が照射され、その書込み光１１によって光
導電層４上に像を描くときには、光導電層４の内部イン
ピーダンスが像の濃淡に応じて局部的に低下するため、
その低下部分に隣接する液晶層７には透明電極３ａ，３
ｂ間の駆動電圧が像の濃淡に応じて空間変調されて印加
されるようになって像が書込まれることになる。

【０００６】ここで、従来の光変調素子１０に用いられ
る液晶層７の液晶分子の配列方向，読出し光の偏光方向
について、４５度ツイスト配向の液晶層によるハイブリ
ッド電界効果モードを用いた光変調素子や、ＥＣＢ（el
ectrically controlled birefringence ）効果を利用し
て初期の液晶分子配向を垂直配向あるいは水平配向とし
た光変調素子が知られている。水平配向の液晶層７の液
晶分子はその分子長軸が基板２ａ，２ｂにわずかなプレ
ティルト角を有し、略平行になるよう配列している。さ
らに、液晶層７の液晶分子は液晶配向層６ａ，６ｂ上で
それぞれが平行に配向されている。

【０００７】このような水平配向の液晶層７を有する光
変調素子１０を図４に示す投写型表示装置に用い、光変
調素子１０と読出し光源１３との間の偏光ビームスプリ
ッタ１５の偏光軸を入射側の液晶層７の液晶分子軸と４
５度をなすように配置すると、直線偏光された入射光は
液晶層７を通過することにより生じる異常光と常光との
間のリタデーション（位相遅れ）Ｒならびに位相差δ
は、液晶分子の屈折率異方性をΔｎ、液晶層厚をｄ、入
射光の波長をλとすると、Ｒ＝Δｎ・ｄ、δ＝２πＲ／
λで表され、光反射層５により反射して再び液晶層７を
通過する際に再びリタデーションＲならびに位相差δを
生じる。偏光ビームスプリッタ１５を透過する透過光強
度Ｊは、数１で表される。

【０００８】

【数１】

【０００９】これに対し、光変調素子１０の透明電極３
ａ，３ｂ間に電界を印加していくと、正の誘電率異方性
を持つ液晶分子は基板２ａ，２ｂに垂直に近づくような
傾斜した配列になる。このように、液晶分子は基板２
ａ，２ｂに対して分子軸方向が変化すると共に実効的な
屈折率異方性は変化するので、リタデーションＲが変化
する。このことにより、電界によって液晶層７の複屈折
率が変化し、光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との比を制御
できるので、電界の印加により偏光ビームスプリッタ１
５を透過する光の強度が変化し、スクリーン１７上に像
が投写されることとなる。

【００１０】上述した従来の光変調素子１０の一例の条
件を表１に示す。

【表１】

【００１１】表１に示す条件の従来の光変調素子１０に
電界を印加した際の光学特性を図６に、電界を印加しな
いときの波長依存性を図７に示す。図６において、横軸
は印加電圧、縦軸は入射光量（図４中の偏光ビームスプ
リッタ１５に入射する光）と出射光量（図４中の偏光ビ
ームスプリッタ１５を出射する光）との比である出射光
量／入射光量を、図７において、横軸は波長、縦軸は出
射光量／入射光量を示している。この図６に示す例で
は、下に凸となった部分の前半部分（フロントスロー
プ）における相対光透過率が９９％及び１％に対応する
印加電圧Ｖ99（＝１．１８）及びＶ1 （＝１．７９）の
範囲で動作させる。なお、この場合、電界を印加しない
ときは白であり、いわゆるノーマリーホワイトモードで
ある。

【００１２】さらにまた、図６には示していないが、透
過光強度Ｊが最大となる特異点を使うと、その電圧以上
では印加電圧の大きさに従って透過光強度Ｊを小さくす
ることができる。このように、上に凸となった部分の後
半部分（バックスロープ）を用い、ノーマリーホワイト
モードとして動作させる方法については、米国特許第４
３７８９５５号明細書に開示されている。これによれ
ば、電界を印加しないときに透過光強度Ｊが最大となる
条件のみならず、ある電圧で透過光強度Ｊが最大となる
特異点を使うこともできるので、数多くの条件が使用可
能である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、光変調
素子１０に電界を印加すると、液晶層７の液晶分子は基
板２ａ，２ｂとのなす角を増大してある傾斜に達する
が、相対光透過率が９９％及び１％に対応する印加電圧
Ｖ99及びＶ1 を用いて閾（しきい）値特性の鋭さγは、
γ＝Ｖ1 ／Ｖ99のように定義して使用される。図６に示
すように、Ｖ1 ＝１．７９、Ｖ99＝１．１８より、γ＝
１．５２程度であり、入射される書込み光１１による光
導電層４の内部インピーダンスの変化量が小さいと、印
加電圧の変化量も小さいために、コントラスト比を大き
くできないという問題点があった。また、図７に示すよ
うに、波長依存性が大きく、ある程度の波長範囲を有す
る光を変調する場合に、波長による光透過率の差が生
じ、色相の変化をもたらすという問題点もあった。

【００１４】さらに、ノーマリーホワイトモードでは例
えば陰極線管のようなパルス光による書込みをすると、
書込み光の照射されない時間には透過光強度Ｊが増大
し、いわゆる黒浮きの現象が起こり、コントラスト比を
低下させるという問題点もあった。そこで本発明はこの
ような問題点に鑑み、従来の光変調素子とは異なった素
子構成をとることによって閾値特性が鋭く、波長依存性
の小さな極めて優れた電気光学特性を有し、ノーマリー
ホワイトモードとノーマリーブラックモードとの反転が
可能な光変調素子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】本発明は、上述した従来
の技術の課題を解決するため、液晶分子の配向状態を書
込み光によって遷移させることにより画像を書込み、こ
の書込まれた画像を読出し光により投写させる光変調素
子において、第１の透明基板上に第１の透明電極と第１
の液晶配向層とを順次積層し、第２の透明基板上に第２
の透明電極と光導電層と光反射層と第２の液晶配向層と
を順次積層し、前記第１及び第２の液晶配向層間に液晶
層を挟装させると共にこの液晶層の液晶分子を一様に初
期配列させ、前記第１の透明基板の外側にπ／２の位相
差を与える１／４波長板を設けることによって、電界を
印可しないときに白であるノーマリーホワイトモードと
電界を印可しないときに黒であるノーマリーブラックモ
ードとを反転することを特徴とする光変調素子を提供す
るものである。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の光変調素子について、添付図
面を参照して説明する。図１は本発明の光変調素子の一
実施例の構造を示す図、図２は本発明の光変調素子にお
ける印加電圧と出射光量／入射光量との関係を示す図、
図３は本発明の光変調素子における波長と出射光量／入
射光量との関係を示す図である。なお、図１において、
図５と同一部分には同一符号が付してある。

【００１７】本発明の光変調素子１は従来の光変調素子
１０と構造が異なり、基板２ａの外側、読出し光１２の
入射側に位相板９を備えている。本発明の光変調素子１
は、図１に示すように、透明な基板２ａ，２ｂが略均等
な間隔で平行に対向しており、この基板２ａの基板２ｂ
に対向する側には透明電極３ａが、基板２ｂの基板２ａ
に対向する側には透明電極３ｂが設けられている。そし
て、この透明電極３ｂ上には、書込み光１１の光強度で
比抵抗が変化する光導電層４が積層形成され、さらに、
光導電層４上には光反射層５が積層形成されている。ま
た、透明電極３ａ上には液晶配向層６ａが、光反射層５
上には液晶配向層６ｂが積層して設けられている。この
ように、基板２ａには透明電極３ａ，液晶分子配向層６
ａが積層して設けられ、基板２ｂには透明電極３ｂ，光
導電層４，光反射層５，液晶配向層６ｂが積層して設け
られ、これら基板２ａ，２ｂの間には液晶層７が挟装さ
れている。なお、８ａ及び８ｂは上記と同様、基板２
ａ，２ｂの間に所定間隔を保って液晶を封入させるため
のスペーサである。さらに、基板２ａの外側、読出し光
１２の入射側に位相板９が積層して、あるいは間隙を有
して設けられている。

【００１８】ここで、基板２ａ，２ｂは本実施例では例
えば透明なガラス板を用いているが、透明な樹脂板を用
いることもできる。また、透明電極３ａ，３ｂは、一般
に酸化インジウム膜または酸化スズ膜等で形成する。透
明電極３ｂ上に形成される光導電層４は、非晶質水素化
シリコン，セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ），硫化鉛
（ＰｂＳ）等の各種の光導電物質を単独に、または複合
化して用いることができる。光導電層４上に積層される
光反射層５は硫化亜鉛（ＺｎＳ）：フッ化マグネシウム
（ＭｇＦ₂ ）多層膜，酸化ケイ素（ＳｉＯ）：二酸化ケ
イ素（ＳｉＯ₂ ）多層膜等の誘電体多層膜を用いる。

【００１９】さらに、液晶配向層６ａ，６ｂは、これま
でに知られている液晶表示素子の液晶配向層を用いるこ
とができ、どのような液晶分子をどのように配列させる
かにより適宜選択して用いればよく、本実施例では液晶
分子が水平配列になるポリイミド，ポリアミドやポリビ
ニル等の高分子膜を用いて形成している。液晶層７の液
晶材料は、正の誘電率異方性を有するネマティック液晶
を用いる。これは、フッソ系，シッフ系，アゾ系，アゾ
キシ系，エステル系，ビフェニル系，ターフェニル系，
シクロヘキサン系，ピリミジン系，ジオキサン系等の各
種の液晶物質を単独に、または混合して用いることがで
きる。

【００２０】また、基板２ａの外側に積層して、あるい
は間隙を有して設けられた位相板９は、その回転角が読
出し光１２が入射する基板２ａ側の液晶分子配向層６ａ
上の液晶分子の軸方向に対して９０度程度をなすように
なされている。この位相板９には、例えばπ／２，πの
位相差を与える波長板を用いることができ、本実施例で
はπ／２の位相差を与えるλ／４板（１／４波長板）を
用いている。λ／４板は例えば雲母を所望の位相差に相
当する厚さに劈開（へき開）すればよく、雲母はα軸が
劈開面にほぼ直角なので偏光方向はβ軸，γ軸であり、
屈折率はそれぞれ１．５９０，１．５９４であるので、
厚さは３６μｍにする。

【００２１】このような位相板９を備えた本発明の光変
調素子１は、図４に示すような投写型表示装置の画像作
成要素として利用される。この投写型表示装置において
は、例えばＣＲＴ画面から発せられる光を書込み光１１
として光変調素子１に入射し画像を書き込む。一方、光
源１３より発せられた光はコンデンサレンズ１４により
平行光とされた後、偏光ビームスプリッタ１５を介して
光変調素子１に照射される。光変調素子１の光反射層５
で反射される空間変調された光は偏光ビームスプリッタ
１５を透過し、投写レンズ１６を介してスクリーン１７
上に結像する。

【００２２】ここで、光変調素子１と読出し光源１３と
の間の偏光ビームスプリッタ１５の偏光軸を位相板９の
回転角と４５度になるように配置すると、偏光ビームス
プリッタ１５で直線偏光された入射光は、位相板９を通
過することにより円偏光に変換され、入射光は液晶層７
を通過し、光反射層５により反射して再び液晶層７を通
過した後、円偏光は位相板９を再び通過することにより
直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１５で透過
光強度Ｊが最低になるようになされている。

【００２３】さらに、本発明の光変調素子１の動作につ
いて説明する。図１において、透明電極３ａ，３ｂ間に
は図示せぬ外部電源が接続され、最適に設定された交流
駆動電圧が印加される。ここで、書込み側から書込み光
１１が照射されていない状態での光導電層４の内部イン
ピーダンスは液晶層７のそれよりも十分大きい値に設定
してあるので、駆動電圧は主に光導電層４に印加される
ことになる。そして、書込み光１１が照射され、その書
込み光１１によって光導電層４上に像を描くときには、
光導電層４の内部インピーダンスが像の濃淡に応じて局
部的に低下するため、その低下部分に隣接する液晶層７
には透明電極３ａ，３ｂ間の駆動電圧が像の濃淡に応じ
て空間変調されて印加され、液晶層７における印加され
る電圧が増大した部分の液晶分子は配列状態を変える。

【００２４】印加される電圧が増大すると、正の誘電率
異方性を有する液晶分子の長軸方向は、基板２ａ，２ｂ
に垂直に近付くような傾斜した配列となる。このような
状態での光変調素子１は、液晶分子の軸方向が変化する
と共に実効的な屈折率異方性は変化するので複屈折率は
変化し、光反射層５で反射して再び液晶層７を透過した
後に出射する光は、円偏光や楕円偏光に変換され、位相
板９を再び通過すると、楕円偏光の主軸の振動方向と位
相板９との回転角が一致する成分のみ直線偏光になり、
偏光ビームスプリッタ１５を透過する光が得られるよう
になる。

【００２５】そして、この光変調素子１は、入射される
書込み光１１による光導電層４の内部インピーダンスの
変化に対応して液晶層７の液晶分子の配列状態が可逆的
に遷移することを利用しているため、書込み光１１が照
射されなくなれば自動的に初期の配向状態に戻ることか
ら、蓄積された像は時間遅れを伴って消去される。

【００２６】表１には従来の光変調素子１０の一例の条
件と併せて、本発明の光変調素子１の一例の条件を示し
ている。そして、表１に示す条件の本発明の光変調素子
１に電界を印加した際の光学特性を図２に、電界を印加
しないときの波長依存性を図３に示す。図２は図６と同
様、横軸は印加電圧、縦軸は縦軸は出射光量／入射光量
であり、図３は図７と同様、横軸は波長、縦軸は出射光
量／入射光量である。この図２より、相対光透過率が１
％及び９９％に対応する印加電圧Ｖ99及びＶ1を用いた
閾値特性の鋭さγは、Ｖ1 ＝１．１８、Ｖ99＝１．７１
より、γ＝１．４５程度（この場合、γ＝Ｖ99／Ｖ1 ）
であり、本発明の光変調素子１は著しく急峻な閾値特性
を有していることが分かる。さらに、図３に示すよう
に、波長による光透過率の差は小さく、本発明の光変調
素子１は波長依存性が小さい特性を有していることが分
かる。

【００２７】そして、本発明の光変調素子１は位相板９
を備えていることにより、ノーマリーホワイトモードと
ノーマリーブラックモードとの反転が実現される。この
ように、ノーマリーホワイトモードをノーマリーブラッ
クモードに反転することにより、黒表示時に透過光強度
Ｊが増大することはなく、例えば書込み光源に薄膜トラ
ンジスタ（ＴＦＴ）駆動の液晶パネル等で変調した光が
用いられるのは勿論のこと、特に書込み光源がＣＲＴ，
ＥＬ（エレクトロルミネセンス素子），ＬＥＤ（発光ダ
イオード），ＬＤ（レーザーダイオード）等のパルス光
による書込み光に対して有効である。

【００２８】以上説明した本実施例では、位相板９を備
えることによって、ノーマリーホワイトモードをノーマ
リーブラックモードに反転する場合について述べたが、
これとは逆にノーマリーブラックモードをノーマリーホ
ワイトモードに反転することも同様の手段で実現でき
る。ノーマリーホワイトモードに反転すれば、例えば書
込み光に薄膜トランジスタ駆動の液晶パネル等で変調し
た光を用いる場合、液晶パネルは入力する信号に逆信号
を用いることで容易に白黒反転されて使用される。この
ような一定期間書込み光を保持できる書込み光源に対し
て有効に使用することができ、これによれば読出し光の
波長に依存する光の漏れが少ない黒表示が実現でき、黒
純度を上げることを可能にする。さらに、液晶層７にお
ける初期の液晶分子配向を液晶層７の厚さ方向に水平配
向として説明したが、これに限定されるものではなく、
垂直配向，傾斜配向，ツイスト角を有する配向であって
も全く同じ効果が得られることは勿論であり、本発明の
思想をいささかも変更するものではない。このように、
本発明の光変調素子１は本発明の要旨を逸脱しない範囲
において実施態様を種々適宜に変更可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の光
変調素子は、第１の透明基板上に第１の透明電極と第１
の液晶配向層とを順次積層し、第２の透明基板上に第２
の透明電極と光導電層と光反射層と第２の液晶配向層と
を順次積層し、前記第１及び第２の液晶配向層間に液晶
層を挟装させると共にこの液晶層の液晶分子を一様に初
期配列させ、前記第１の透明基板の外側にπ／２の位相
差を与える１／４波長板を設けることによって、電界を
印可しないときに白であるノーマリーホワイトモードと
電界を印可しないときに黒であるノーマリーブラックモ
ードとを反転するよう構成したので、極めて優れた閾値
特性を有し、これにより光導電層の内部インピーダンス
の変化量が小さくてもよいので、光導電層の形成が容易
になり、かつ、コントラスト比の大きい表示が可能とな
る。また、波長依存性を小さくできるので、波長による
光透過率の差による表示色の色相の変化が小さい安定な
表示が可能になる。さらに、ノーマリーホワイトモード
とノーマリーブラックモードとの反転によって、書込み
光の特性に応じて有効なモードの選択が可能になる等の
特長を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調素子の一実施例の構造を示す図
である。

【図２】本発明の光変調素子における印加電圧と出射光
量／入射光量との関係を示す図である。

【図３】本発明の光変調素子における波長と出射光量／
入射光量との関係を示す図である。

【図４】光変調素子を用いた投写型表示装置の原理図で
ある。

【図５】従来の光変調素子の一例の構造を示す図であ
る。

【図６】従来の光変調素子における印加電圧と出射光量
／入射光量との関係を示す図である。

【図７】従来の光変調素子における波長と出射光量／入
射光量との関係を示す図である。

【符号の説明】

１，１０ 光変調素子 ２ａ，２ｂ 基板 ３ａ，３ｂ 透明電極 ４ 光導電層 ５ 光反射層 ６ａ，６ｂ 液晶配向層 ７ 液晶層 ８ａ，８ｂ スペーサ ９ 位相板

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液晶分子の配向状態を書込み光によって遷
   移させることにより画像を書込み、この書込まれた画像
   を読出し光により投写させる光変調素子において、 第１の透明基板上に第１の透明電極と第１の液晶配向層
   とを順次積層し、 第２の透明基板上に第２の透明電極と光導電層と光反射
   層と第２の液晶配向層とを順次積層し、 前記第１及び第２の液晶配向層間に液晶層を挟装させる
   と共にこの液晶層の液晶分子を一様に初期配列させ、 前記第１の透明基板の外側にπ／２の位相差を与える１
   ／４波長板を設けることによって、電界を印可しないと
   きに白であるノーマリーホワイトモードと電界を印可し
   ないときに黒であるノーマリーブラックモードとを反転
   することを特徴とする光変調素子。