JP2881402B2

JP2881402B2 - 液晶空間光変調器

Info

Publication number: JP2881402B2
Application number: JP8105905A
Authority: JP
Inventors: 岩城　　忠雄; 利江子瀬倉; 直樹加藤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 1999-04-12
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: EP0747751A3; JPH0954338A; EP0747751A2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影表示装置、画
像処理装置、光情報処理用空間光変調器等に応用される
光書き込み型液晶空間光変調器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶を用いた空間光変調器は入力
情報をリアルタイムで強度変調出力あるいは位相変調出
力する素子として用いられている。しかし、光導電膜は
横方向に電荷の拡散を生じやすく、解像度を劣化させや
すいため、書き込み画像の画素に対応した導電性のある
反射膜を光導電膜上に画素形成することによって、入力
画像のにじみを修正する方法が考えられている。

【０００３】画素を空間的にデジタル分割して入力する
場合においては、金属薄膜からなる反射層を分割してマ
トリクス状に配し、書き込み画像をデジタル入力させる
構成が知られている。また、Qi Hong Wu, Stephen H. P
erlmutter, Robert A. Riceand Garret Moddel, "High-
reflectivity patterned metal mirror used in anopti
cally addressed spatial light modulator," Opt. En
g., 33(3), pp. 946-950(1994)において、ダイアグラム
状にパターン形成された金属反射膜を、間に絶縁膜を挟
んで交互に重ね合わせ、マトリクス配列した素子構造も
示されている。金属反射膜を分割しマトリクス状に配列
させたものでは、反射層の格子状の隙間に読み出し光が
照射されてしまうが、これに対して間に絶縁膜を挟んで
交互に重ね合わせた構造のものでは、ほとんど隙間なく
金属反射膜を配列させる事ができた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら分割され
た反射膜の四隅は、それぞれが接触しないようにコーナ
ーカットされておりその隙間に読み出し光が照射される
ため、強い読み出し光を使用すると、画像がつぶれてし
まったり、或いはその隙間に対応する点状のパタンが常
時読み出されるために画素間隙からのノイズの多い出力
画像が得られてしまっていた。この画素間隙からのノイ
ズを少なくするために、分割した反射層の隙間に対応し
た遮光パタンを形成する方法があるが、特に隙間が極め
て小さく画素が細かくなってきた場合は、遮光パタンの
形成や画素合わせが難しくなると同時に高い遮光特性を
得るためには厚い遮光膜を形成しなければならないため
実質的にパタンニングが困難であるという課題を有して
いた。

【０００５】また反射膜材料としてＡｌを用いた場合、
Ａｌ画素だけではＡｌ膜の吸収で十分な反射率を得るこ
とが出来ず、高反射率を得るためにＡｌ膜厚を厚くする
と、表面状態が悪化し、均一な液晶の配向が困難になっ
てしまう。しかも下層のＡｌ膜上には絶縁膜が形成され
ているため上層のＡｌ膜との間に反射率の差が生じてし
まうという課題をも有していた。

【０００６】さらにまた、アナログ的空間変調を目的に
この液晶空間光変調器を用いる場合には、このように導
電性画素を形成することにより本来空間的にアナログで
あった画像が空間的に分割形成されてしまうために、例
えば当該液晶空間光変調器にホログラムなどを記録再生
する場合は、高い空間周波数成分が生成・形成されてし
まいＳ／Ｎ低下の原因ともなっていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、従来の
このような課題を解決するため、液晶を用いた空間光変
調器において、書き込み側基板に積層されている光導電
層上に画素状に分離形成された金属薄膜からなる電極層
を形成し、さらに誘電体多層膜で画素分割された電極を
均一に覆うように成膜することにより、複雑なプロセス
を使うことなく、画素の隙間を完全に遮光する構成とす
ることができ上記課題を解決することができた。

【０００８】また、上記の構成は単純なプロセスで実現
可能であるため、上記光導電層と誘電体多層膜の間に画
素状に分離形成された電極層を、画素の１片およびこれ
らの画素間隙の最大の長さが当該液晶空間光変調器の限
界解像度と同じ程度かもしくはそれよりも短い構成とす
ることが容易に可能となり、アナログ画像がデジタル化
してしまうという課題をも解決することができた。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の構成にすることにより、
液晶を用いた空間光変調器において、誘電体多層膜を画
素分割された電極層（以下、これを画素電極と呼ぶ）上
に均一に成膜することで、画素の隙間の遮光を可能にし
て入力画像のつぶれを解消し、空間光変調器の応用範囲
や可能性を広げることが出来た。さらに、電極層は高反
射率を有する必要がないので数１００Åの膜厚でよく、
それを覆うように反射膜である誘電体多層膜を形成する
ことで、表面の凹凸はかなり抑えられ、素子構成時の液
晶の配向欠陥を減少させることができる。

【００１０】本発明の液晶空間光変調器の動作は、従来
の液晶空間光変調器と同様である。まず、上記透明電極
層間に駆動電圧を印加した状態としておく。この駆動電
圧は、使用する液晶のモードによって異なるが、例えば
ネマチック液晶であればＤＣバイアス電圧に交流成分を
重畳したものを用いたり、強誘電性液晶では種々の波形
を有する双極パルス電圧を用いる。このとき、光導電層
に光が照射されない状態では当該光導電層は高抵抗状態
にあるため液晶層に分圧される駆動電圧は、液晶分子を
励起するには不十分なレベル（即ち、液晶を動作させる
しきい値電圧以下のレベル）となっているために液晶は
なんら動作を起こさないように設定されているものとす
る。次に、光導電層に光を照射すると光が照射された部
分の光導電層は光が照射されていない部分に比べておよ
そ３から５桁抵抗値が低くなるために、駆動電圧の液晶
層に分圧される割合が増加し、これが液晶のしきい値電
圧以上になったとき液晶は励起され動作する。従って、
光導電層に照射される光が画像に対応するパターンを持
った強度分布を有すると、それに対応した分布を持った
液晶が動作を行い、読み出し基板側から読み出し光を照
射するとこの液晶の動作分布に対応したパターンが読み
出されるのである。

【００１１】本発明の液晶空間光変調器は、上述のよう
に、画素電極の形成による液晶分子の配向の乱れはほと
んどないため、書き込み光が照射されていない部分の画
素電極の間隙の液晶分子は動作しないで整然と配列して
いるために、そこからの読み出し光の反射が生じてこな
いために、ノイズが低減されることになる。

【００１２】また、画素を金属薄膜で形成するのでエッ
チング処理による微細加工が比較的容易にでき、しかも
成膜時の画素合わせが不要であるため、微細画素を有す
る空間光変調器の作製を可能にし、高輝度で高精細な画
像を投影できる投影装置をも可能にした。

【００１３】図４に、本発明の液晶空間光変調器を用い
た書き込み、読み出し光学系の例を示す。書き込み光源
４０１から出射される書き込み光はレンズ４０２、干渉
フィルター４０３を通って液晶テレビ４０４を照射し、
液晶テレビ４０４に表示されている画像情報を結像レン
ズ４０５によって本発明の液晶空間光変調器４０６の書
き込み面に結像し表示する。なお、液晶空間光変調器４
０６は変調器用ドライバー４１７から出力される前記駆
動電圧により駆動する。すなわち、この駆動電圧は、使
用する液晶のモードによって異なるが、例えばネマチッ
ク液晶であればＤＣバイアス電圧に交流成分を重畳した
ものを用いたり、強誘電性液晶では種々の波形を有する
双極パルス電圧が出力される。読み出し光源４１１から
出射される読み出し光は、レンズ４１２、干渉フィルタ
ー４１３、偏光子４１４を通り、ビームスプリッター４
０８で反射された後結像レンズ４０７を通って空間光変
調器４０６の読み出し面側に照射される。そしてこの読
み出し光により誘電体多層膜表面で反射し、検光子４０
９、レンズ４１０を通してＣＣＤなどの受光素子４１８
に取り込まれ、取り込まれた情報は画像処理装置４１９
で処理される。画像処理手段としては、コンピュータ上
のソフトウェア、電気信号処理手段、もしくは光学的画
像処理手段であっても良いことは言うまでもない。この
時読み出し光を直線偏光とする偏光子４１４と、液晶層
で変調された反射光を検光する検光子４０９をクロスニ
コル状態に設定し読み出し光として白色光を用いた場
合、図１の空間光変調器に印加する電圧を徐々にあげた
ときに最大の変調度が得られる状態で、クロスニコル下
において明視野となるように空間光変調器４０６は配置
されている。また入力される画像情報としては、本実施
例のように一度ＣＣＤカメラ４１５で取り込んだ画像を
液晶ドライバ４１６を介して、液晶テレビ４０４のよう
な電気書き込み型液晶デバイスに入力した後、光学的に
読み出して結像入力しても良いし、コンピュータのメモ
リ内の画像情報をイメージボードなどを介して一旦Ｄ／
Ａ変換してから液晶ドライバー４１６に入力して液晶テ
レビ４０４に画像を表示してもよい。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の内容を図面を用いて詳細に説
明する。（実施例１）図１に、本発明による液晶空間光変調器の
構造を示す。

【００１５】液晶分子を挟持するための基板１０１ａ、
１０１ｂとして、両面をＨｅ−Ｎｅレーザ波長に於いて
平行平面度λ／５以下に研磨した厚さ５ｍｍの透明ガラ
ス基板を用いた。両基板の表面にはＩＴＯ透明電極層１
０２ａ、１０２ｂを設け、読み出し側基板の読み出し光
照射面側には、反射防止膜１０８を成膜した。光書き込
み側の電極層１０２ａ上には、厚さ３．５μｍのイント
リンシックな水素化アモルファスシリコン光導電層１０
３を形成した。ここで、該光導電層１０３は、Ｐ、Ｂ等
を添加した膜組成でも良く、又、ａ−Ｓｉ：Ｈ層上にｎ
型、あるいはｐ型の他の組成の半導体膜を積層した構成
であっても何ら差し支えない。

【００１６】この光導電層１０３の上にスパッタリング
法にてＣｒを４００オングストローム成膜後、エッチン
グ処理によってＣｒ画素電極１０４を形成し、その後Ｃ
ｒ画素電極を均一に覆うように誘電体多層膜層１０５を
成膜している。本実施例に於いては画素電極材料として
Ｃｒを使用しているが、比較的均一な薄膜の成膜、およ
びエッチング処理が容易な、例えばＡｌ等の材料であっ
ても良い。さらに両基板の表面に垂直配向処理剤として
ポリイミドを塗布後極弱いラビング処理を施し、且つ組
み合わせた状態で書き込み側及び読み出し側の基板上の
ラビング方向がそれぞれ反対方向になるように配向膜層
１０６ａ、１０６ｂを設けた。この配向膜は一酸化珪素
のような酸化物を斜方蒸着したものでもよく、または読
み出し側の基板あるいは書き込み側の基板の１方だけを
ラビング処理する片側ラビングや斜方蒸着膜と有機配向
膜との組み合わせであっても良い。なお光導電層１０３
は、硫化カドミウム等の他の材料を用いても問題はな
く、また膜厚は誘電体多層膜層１０５及び液晶層１０７
の厚みによって最適値が変動するものであって、１〜９
μｍの範囲内で上記各膜の電気的特性及び膜厚を勘案し
て設定され、誘電体多層膜層１０５は、読み出し光の波
長範囲を９０％以上反射する様に設計されている。

【００１７】次に、３μｍの平均粒径を持つシリカ球を
外周シール材に混合分散し、ディスペンサーを用いて前
記シール材を塗布およびパタンニングした後、２枚の基
板を接着してネマチック液晶を狭持する間隙を形成し、
真空注入法を用いてその間隙に液晶を注入し、液晶層１
０７を形成した。

【００１８】上記のような液晶空間光変調器によれば、
外面からの書き込み光１０９によって液晶層１０７に書
き込みが行われ、また、書き込まれた光学情報は偏光光
学系により読み出すことができる。また、外面からの読
み出し光１１０の利用効率を良くするために本実施例で
は透明ガラス基板１０１ｂの表面には低屈折率単層膜、
または低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に形成した誘電
体多層膜からなる反射防止膜１０８を設けてある。

【００１９】（実施例２）実施例１で示した構造の液晶
空間光変調器において、画素電極材料としてＡｌを使用
した構成の空間光変調器を図２に示す。画素電極以外の
部分の構成は実施例１と同様であるため、図１と同じ機
能を有する構成要素には同じ番号を付し、重複を省くた
めにその説明を省略する。Ａｌをスパッタリング法でａ
−Ｓｉ：Ｈ膜上に成膜する場合、導通性が大きくエッチ
ング処理で除去が困難なＡｌ−Ｓｉの形成を防ぐ為に光
導電層１０３とＡｌ画素電極２０２の間に、パッシベー
ション膜として１０００ÅのＳｉＯ₂層２０１を形成し
ている。このようにすることにより、Ａｌ−Ｓｉがエチ
ングで除去されずに残ってしまい画素電極間でショート
を起こすという課題を除去することができた。このとき
用いるパッシベーション膜としてはＳｉＯ₂以外にも、
絶縁性に優れた膜（例えば、Ｔａ₂O₅やＡｌＮやＳｉ₃N₄
などＡｌ₂O₃など）であればよいことは言うまでもな
い。

【００２０】（実施例３）図３に、本発明の液晶空間光
変調器において誘電体多層膜層が遮光層とミラー層から
構成されている空間光変調器を示す。誘電体多層膜層以
外の部分の構成は実施例１と同様であるため、図１と同
じ機能を有する構成要素には同じ番号を付し、重複を省
くためにその説明を省略する。Ｃｒ画素電極１０４を覆
うように遮光層３０１を形成し、その上にミラー層３０
２を成膜している。遮光層は［Ｓｉ／ＳｉＯ₂]系の干渉
吸収膜で、ミラー層は［ＴｉＯ₂/ＳｉＯ₂]系の構成から
なっている。このように遮光層を設けることにより、ミ
ラー層を透過してきた光を遮光層で吸収できるため、光
導電層１０３まで光が漏れることがなくなり、高出力の
読み出し光光源の使用を可能にした。

【００２１】（実施例４）図５は、本発明の液晶空間光
変調器を用いた投影表示装置の一実施例である。本実施
例に於いては、３組の液晶空間光変調器５０１ａ、５０
１ｂ、５０１ｃを像形成手段として用い、それぞれに、
赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）３色の映像を分解表示す
る白黒ＣＲＴ５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃ、結像レン
ズ５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃを用いて書き込みを行
った。形成された像は、キセノンランプを用いた光源５
０５とレンズ５０４、紫外線吸収フィルター５０６、赤
外線吸収フィルター５０７、ダイクロイックミラー５０
８ａ（Ｒ反射；Ｇ、Ｂ透過）、５０８ｂ（Ｂ反射；Ｇ透
過）、偏光ビームスプリッター５０９、投影レンズ５１
０を有する投影光学系によって、スクリーン５１１上に
合成投影される。

【００２２】本発明に係る投影表示装置は、像形成手段
としてそれぞれに光導電層と誘電体多層膜の間にＣＲＴ
画素に対応する画素が形成された電極層を有する液晶空
間光変調器を用いたことによって、高輝度でシャープな
読み出し画像を実現した。また誘電体多層膜層は、Ｒ、
Ｇ、Ｂ各空間光変調器ごとに反射波長帯域をかえてい
る。誘電体多層膜層の反射波長帯域は、Ｒ用（５０１
ａ）５８０〜７１０ｎｍ、Ｇ用（５０１ｂ）５００〜６
００ｎｍ、Ｂ用（５０１ｃ）４２０〜５００ｎｍで、反
射率は９５％以上得られる仕様で設計されている。本実
施例で使用した各色の誘電体多層膜層においては、Ｒ用
は５６０〜７８０ｎｍ、Ｇ用は４８０〜６５０ｎｍ、Ｂ
用では３９０〜５２０ｎｍの波長範囲内で９５％以上の
反射率が得られた。

【００２３】（実施例６）本発明の液晶空間光変調器を
図４に示す書き込み、読み出し光学系に用いた場合の１
実施例について説明する。本実施例で用いた液晶空間光
変調器の基本的構成は、実施例２で説明したものと同様
のものを用いた。本実施例では、液晶テレビ４０４を書
き込み手段として用いるため、書き込まれる画像そのも
のが画素で形成されている。これを本発明の画素を形成
された液晶空間光変調器４０６に書き込む場合、互いの
画素のピッチが整数倍の関係になっており、しかもこれ
らが正確に対応して１対１の結像関係になっていなけれ
ばモアレパターンに類似した周期パターンが形成される
場合がある。これを防ぐために、本発明の液晶空間光変
調器の画素電極の画素サイズと画素間隙の距離を種々変
えたものを作製して、その結果得られる画像を肉眼で評
価したところ、［表１］のような結果が得られた。な
お、本発明の液晶空間光変調器の画素は正方形とし、液
晶テレビ４０４の画素が２０μｍ×６０μｍのサイズで
書き込めるように書き込みレンズの投影倍率を設定し
た。そして、モアレパターンありなしの判別は液晶テレ
ビ４０４の画素の２０μｍの方向にのみ行った。また、
このとき用いた液晶空間光変調器と画素電極がないこと
を除いて全く同一の構成と方法で作製した液晶空間光変
調器から書き込み／読み出し可能な干渉縞の限界解像度
は６．２５μｍであった。この結果から明らかに推測で
きるように、本実施例での応用でモアレパターンを生成
しない条件は、本発明の液晶空間光変調器の画素電極の
１辺の長さと画素電極間隙の距離を限界解像度とほぼ同
じか、またはそれ以下にすることがよいことが分かっ
た。また、このとき得られる読み出し画像を１００倍に
拡大投影して観察したところは、画素が肉眼では識別で
きない程度に滑らかな画像となっていることが分かっ
た。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【発明の効果】以上述べてきた様に、本発明による液晶
空間光変調器を用いることにより、高解像度、高コント
ラストの投影表示装置を実現し、またノイズの少ない出
力画像が得られることで光情報処理における利用分野の
可能性を広げることが出来た。

【００２６】また、画素を形成しながらも画素の形成さ
れていない液晶空間光変調と同様の滑らかな画像を得る
ことができるため、デジタル光情報処理のみならずホロ
グラムを用いるアナログ光情報処理や、滑らかな画像を
出力することができる画像投影装置への応用をも実現す
ることができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液晶空間光変調器の構造を示す図
である。

【図２】本発明の液晶空間光変調器に於いて、画素電極
材料にＡｌを使用した構成例を示す図である。

【図３】本発明の液晶空間光変調器に於いて、誘電体多
層膜層が遮光層とミラー層とから構成されている例を示
す図である。

【図４】本発明の液晶空間光変調器を用いた書き込み、
読み出し光学系の例を示す図である。

【図５】本発明の液晶空間光変調器を用いた投影表示装
置の例を示す図である。

【符号の説明】

１０１ａ、１０１ｂ透明ガラス基板１０２ａ、１０２ｂＩＴＯ透明電極層１０３水素化アモルファスシリコン光導電層１０４画素電極１０５誘電体多層膜層１０６ａ、１０６ｂ配向膜層１０７液晶層１０８反射防止膜１０９書き込み光１１０読み出し光２０１ＳｉＯ₂ ２０２Ａｌ画素電極３０１遮光層３０２ミラー層４０１書き込み光源４０２、４１０、４１２レンズ４０３、４１３干渉フィルター４０４液晶テレビ４０５、４０７結像レンズ４０６液晶空間光変調器４０８ビームスプリッター４０９検光子４１１読み出し光源４１４偏光子４１５ＣＣＤカメラ４１６液晶ドライバー４１７変調器用ドライバー４１８受光素子４１９画像処理装置５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ液晶空間光変調器５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ結像レンズ５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃＣＲＴ５０４レンズ５０５光５０６紫外線吸収フィルター５０７赤外線吸収フィルター５０８ａ、５０８ｂダイクロイックミラー５０９偏光ビームスプリッター５１０投影レンズ５１１スクリーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−128681（ＪＰ，Ａ) 特開平２−144524（ＪＰ，Ａ) 特開平６−110078（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/135 G02F 1/13 505 G02F 1/00 - 1/125 G02F 1/29 - 7/00 G09F 9/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光による書き込み、読み出し手段および
電圧印加手段を具備し、読み出し側の透明基板の片面に
透明電極層を設け、対向する書き込み側基板の片面には
導電性電極層、光導電層及び誘電体多層膜を順次積層し
て設置し、これら両基板に液晶分子を配向させるための
配向膜を形成し、これを一定の間隙に制御して対向さ
せ、間隙に液晶を封入した反射型液晶素子に於いて、光
導電層と誘電体多層膜の間に互いに電気的に絶縁して画
素状に分離形成された電極層を有し、前記誘電体多層膜
は当該分離形成された電極層を均一におおうように成膜
されていることを特徴とする液晶空間光変調器。
【請求項２】上記光導電層と誘電体多層膜の間に画素
状に分離形成された電極層は、金属薄膜からなることを
特徴とする請求項１記載の液晶空間光変調器。
【請求項３】上記光導電層と誘電体多層膜の間に画素
状に分離形成された電極層と光導電層との間に、絶縁性
材料からなるパッシベーション膜が形成されていること
を特徴とする請求項１および２記載の液晶空間光変調
器。
【請求項４】上記光導電層は水素化アモルファスシリ
コン層であることを特徴とする請求項１記載の液晶空間
光変調器。
【請求項５】上記誘電体多層膜は遮光層と反射層から
なることを特徴とする請求項１記載の液晶空間光変調
器。
【請求項６】上記光導電層と誘電体多層膜の間に画素
状に分離形成された電極層は、画素の１辺およびこれら
の画素間隙の最大の長さがほぼ当該液晶空間光変調器の
限界解像度と同じ程度かもしくはそれよりも短いことを
特徴とする請求項１乃至５記載の液晶空間光変調器。