JP3158016B2 - 可変焦点レンズ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号の充分なオン／
オフ比（以下、「コントラスト比」と称する）を有し、
オン状態での光信号の損失が充分に小さく、かつ安価な
光スイッチ、光論理演算素子、および表示装置に用いら
れるライトバルブなどに好適に実施される可変焦点レン
ズ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信は、通信速度の高速性およ
び伝達情報量の多さから、情報化社会において重要な役
割を担っている。このような光通信における信号伝達路
としては、光損失の少ない光ファイバが用いられる。光
信号伝達経路の主幹線経路において、信号の変換処理器
には、高速性、高コントラスト比および信号の減衰が少
ないことが要求される。このため、主幹線経路における
信号処理器には、位相を変化させる、伝送モードを変換
する、または導波光の進行方向を変化させるなどの方法
が用いられている。

【０００３】前記光通信に加えて、情報化社会の特徴と
して、個人用携帯情報端末装置の普及もめざましく、こ
のような携帯情報端末装置の表示装置としては、軽量、
薄型、および低消費電力などの特徴を有する液晶表示装
置（以下、「ＬＣＤ」(Liquid Crystal Device)と称す
る）が有力な地位にある。また、ＬＣＤは携帯情報端末
装置のみならず、光論理演算装置の演算素子、直視型も
しくは投写型のライトバルブなどの空間光変調装置とし
ても利用されており、その利用範囲は非常に多岐にわた
る。このように、多様化したＬＣＤの光変調方法として
は、液晶分子の持つ複屈折性を利用したものが主流であ
る。たとえば、 （１）干渉方式 （例）ＥＣＢ(Electrically Controlled Birefringenc
e）モード ＳＳＦ−ＬＣ（Surface Stabilized Ferro-electric Li
quid Crystal）モード （２）旋光方式 （例）ＴＮ（Twisted Nematic）モード （３）光散乱方式 （例）高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）モード ネマティック−コレステリック相転移型（ＰＣＭ）モー
ド （４）光吸収方式 （例）ネマティック−コレステリック相転移型ゲスト−
ホスト方式(ＰＣＧＨ)２層型ゲスト−ホスト方式（ＤＧ
Ｈ） が挙げられる。これらの方式が、現在、携帯情報端末装
置、液晶テレビジョン受像機、投写型液晶表示装置およ
び光演算素子などの空間光変調装置として用いられてい
る方式の主だったものである。

【０００４】さらに、液晶を可変焦点レンズとして使用
した光スイッチが、「光学第２０巻第４号（１９９１，
４），ハイブリッド配向液晶電気光学マイクロレンズに
おける光学特性および分子配向，増田伸、能勢敏明、佐
藤進」、および「JJAP Vol.30 No.12B (1991)，Optical
Properties of a Liquid Crystal Microlens witha Sy
mmetric Electrode Structure，能勢敏明、増田伸、佐
藤進」などに記載されている。これらの文献では、電界
などの印加によって液晶分子の配向状態を変化させ、こ
のときの屈折率分布をレンズ状とすることによって、電
界によってレンズ特性が変化する可変焦点レンズを実現
している。

【０００５】図１８は、上記文献に記載された従来例で
ある可変焦点レンズ（以下、「ＶＦＬ」（Valuable Foc
al Length)と称する）素子１０１の構成を示す断面図で
ある。ＶＦＬ素子１０１は、液晶素子１０５と、電源装
置１０６とを含んで構成され、前記液晶素子１０５は、
液晶層１０２と、前記液晶層１０２を間に介在する一対
の基板部材１０３，１０４とを含んで構成される。前記
一対の基板部材１０３，１０４は、透光性基板１０７，
１０９と、当該透光性基板１０７，１０９の液晶層側表
面に形成される透明電極１０８，１１０とを含んでそれ
ぞれ構成される。

【０００６】透明電極１０８は、所定のパターンに形成
された電極１０８ａ，１０８ｂから成り、透明電極１１
０は、所定のパターンに形成された電極１１０ａ，１１
０ｂから成る。電極１０８ａ，１０８ｂ，１１０ａ，１
１０ｂに、電源装置１０６が接続され、電極１０８ａ，
１０８ｂ間および電極１１０ａ，１１０ｂ間に電界が印
加される。すなわち、電界は基板部材１０３，１０４の
表面に対して略平行方向に印加され、電気力線は符号１
１１で示されるようになる。

【０００７】このようにして構成されるＶＦＬ素子１０
１の動作原理について説明する。図１９は、印加電圧Ｖ
に対応した液晶分子１０２ａの状態を示す図であり、図
２０は、出射光の強度を示す図である。また、図２１
は、ＶＦＬ素子１０１を通過した光の光路を示す図であ
る。

【０００８】図１９（Ａ）に示されるように、電極１０
８ａ，１１０ａ；１０８ｂ，１１０ｂ間の印加電圧Ｖ＝
０のときでは、一方基板部材側の液晶分子１０２ａが基
板部材表面に対して垂直に配向し、他方基板部材側の液
晶分子１０２ａが基板部材表面に対して平行に配向し、
基板部材間での液晶分子１０２ａの配向状態は垂直から
平行に連続的に変化している。なお、液晶分子１０２ａ
をこのように配向させるための配向膜が、前記電極１０
８ａ，１０８ｂ；１１０ａ，１１０ｂを覆ってそれぞれ
形成される。

【０００９】図１９（Ｂ）に示されるように、電極１０
８ａ，１１０ａ；１０８ｂ，１１０ｂ間の印加電圧Ｖ＝
Ｖｌｏｗ（Ｖｌｏｗ：液晶の配向状態が変化し始める閾
値電圧よりも小さい電圧）のときも前記印加電圧Ｖ＝０
とほぼ同様である。このような状態において、ＶＦＬ素
子１０１は凹レンズとして機能する。

【００１０】図１９（Ｃ）に示されるように、電極１０
８ａ，１１０ａ；１０８ｂ，１１０ｂ間の印加電圧Ｖ＝
Ｖｈｉｇｈ（Ｖｈｉｇｈ：前記閾値電圧以上の電圧）の
ときでは、隣接する電極間のほぼ中央の液晶分子１０２
ａは垂直に配向し、電極に近づいてゆくにつれて、垂直
に配向させる液晶配向膜を形成した側の液晶分子１０２
ａは傾斜して配向し、平行に配向させる液晶配向膜を形
成した側の液晶分子１０２ａは垂直に配向する。液晶分
子１０２ａは基板部材間で連続的に配向している。この
ような状態において、ＶＦＬ素子１０１は凸レンズとし
て機能する。

【００１１】図２１（Ａ）は、図１９（Ａ）または図１
９（Ｂ）に対応する光の光路を示しており、基板部材１
０４側から入射し、液晶素子１０５を通過した光の集光
点Ｓは、たとえば基板部材１０３の液晶層１０２とは反
対側の表面から長さＴ１に選ばれる。このとき、ＶＦＬ
素子１０１の出射光の強度は、図２０（Ａ）に示される
ように非常に弱い。

【００１２】図２１（Ｂ）は、図１９（Ｃ）に対応する
光の光路を示しており、基板部材１０４側から入射し、
液晶素子１０５を通過した光の集光点Ｓは、たとえば基
板部材１０３の液晶層１０２とは反対側の表面から長さ
Ｔ２（＞Ｔ１）に選ばれる。このとき、ＶＦＬ素子１０
１の出射光の強度は図３８（Ｃ）に示されるように強く
なる。

【００１３】図２２は、他の従来例である液晶光シャッ
タ１２１の構成を示す断面図である。液晶光シャッタ１
２１は、基板部材１２２，１２３、媒体１２４、液晶層
１２５、偏光板１２６および面光源１２７を含んで構成
される。基板部材１２２，１２３は、透明電極１２８，
１３０がガラス基板１２７，１２９上に設けられて構成
される。基板部材１２２，１２３の間に、ガラス製の断
面のこぎり状の媒体１２４と液晶層１２５とが挟持され
る。媒体１２４の凸部１２４ａが当接する付近および凹
所１２４ｂ付近には、遮光層１３２がそれぞれ設けられ
る。基板部材１２２の媒体１２４および液晶層１２５と
は反対側には、偏光板１２６が、基板部材１２３の媒体
１２４および液晶層１２５とは反対側には、面光源１２
７がそれぞれ配置される。また、透明電極１２８，１３
０には、電源装置１３１が接続される。

【００１４】透明電極１２８，１３０間に電界が印加さ
れていない状態では、液晶分子１２５ａは、基板部材１
２３側で当該基板部材１２３の表面にほぼ平行に、媒体
１２４側で当該媒体１２４の表面にほぼ平行になり、液
晶層１２５が媒体１２４とほぼ同一の屈折率となる。こ
れによって、入射光は透過して出射する。一方、透明電
極１２８，１３０間に電界が印加された状態では、液晶
分子１２５ｂは、基板部材１２３の表面にほぼ垂直とな
り、液晶層１２５は媒体１２４とは異なる屈折率とな
る。これによって、入射光は媒体１２４の表面で反射
し、媒体１２４の凹所１２４ｂに集光され、遮光層１３
２によって吸収されて遮断される。このような液晶光シ
ャッタ１２１の例は、たとえば特開平６−２５８６７２
号公報に開示されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前記ＶＦＬ素子１０１
を光スイッチとして、さらには空間光変調装置として実
用化するためには、前記集光点Ｓを液晶素子１０５内に
設定する必要がある。実際に、透光性基板１０７，１０
９の厚みは、たとえば１．１ｍｍ程度に選ばれ、液晶層
１０２の厚みは、たとえば数μｍ程度に選ばれる。透光
性基板１０７，１０９の厚みに比べて、液晶層１０２の
厚みはほとんど無視でき、屈折率の差が小さい２ｍｍ程
度の長さの間で入射光を集光させることは困難である。
液晶層１０２そのものを電界などのエネルギの印加によ
ってレンズ化するので、屈折率の条件の選択範囲が液晶
の有する屈折率の範囲に限られ、前記長さＴ１，Ｔ２の
選択幅が狭い。たとえば、長さＴ１，Ｔ２は８ｍｍ〜２
０ｍｍの範囲に選ばれる。

【００１６】また、光スイッチまたは空間光変調装置と
して実用化するには、光出射側の基板部材１０３から数
ｍｍ離れた位置に遮光層が必要となるけれども、高い位
置精度で液晶素子１０５の外部に遮光層を設けることは
困難である。

【００１７】さらに、透光性基板１０７，１０９の表面
に対して平行な方向に電界を印加する方式は、同じ透光
性基板上の２本の電極１０８ａ，１０８ｂ；１１０ａ，
１１０ｂが、１単位のたとえば画素を構成する。このよ
うな構成でドットマトリクス状の表示装置を実現するこ
とは比較的困難である。

【００１８】前記液晶光シャッタ１２１は偏光板１２６
を使用しており、光信号の高いコントラスト比が得られ
るけれども、入射光が自然光に近い場合や入射偏光が解
消しやすい場合には、光の利用効率が半分以下となる。
この結果、光論理演算を行う場合では、演算内容が複雑
化するほど光信号の利用効率が減少し、光増幅器などの
手段が必要となる。さらに演算の途中で当然起こりうる
ノイズの影響によって、ＳＮ（Signal-to-Noise）比が
減少する。

【００１９】また、携帯情報端末装置などに使用される
反射型ＬＣＤなどの表示装置においては、近年、高精細
および高輝度が必要とされているけれども、液晶光シャ
ッタ１２１では利用できる光は原理的に光源光の半分
に、実際には光の損失によって半分以下になることか
ら、コントラスト比が低く、暗い表示しか実現すること
ができない。

【００２０】このように、ＶＦＬ素子１０１や液晶光シ
ャッタ１２１を用いた光スイッチでは、位相変化、伝送
モード変換、または導波光の進行方向変化などの方法に
よって、駆動電圧の低減および伝送信号帯域の拡大など
がなされているものの、依然として、厳密な光学的設計
が必要であり、結晶性の高い材料を用いることから、素
子そのものがかなり高価となり、信号伝送路の端末装置
（たとえば家庭用の通信機器および処理装置など）に使
用する信号処理用の光スイッチとしては、価格面から実
用的ではない。

【００２１】また、光スイッチを集積化して表示装置な
どに利用するにあたっては、ＬＳＩ（Large Scale Inte
grated Circuit）技術を応用することなどによって、各
素子の微細化および集積化が可能となっているけれど
も、充分な光学変調を生ずるためには、ある程度の光路
長を必要とし、かつＬＳＩ技術を用いて各素子を基板平
面上に集積する必要がある。このため、基板表面として
２次元的に大きな面積が必要となり、ドットマトリクス
状の表示装置に応用することは困難である。

【００２２】本発明の目的は、高いコントラスト比を有
する光出力が得られ、かつ光信号の利用効率が高い可変
焦点レンズ素子ならびにその可変焦点レンズ素子を用い
た空間光変調装置、その空間光変調装置を用いた投射型
液晶表示装置および直視型液晶表示装置を提供すること
である。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、（ａ）絶縁性
を有し、相互に間隔をあけて配置される一対の透光性基
板１１，８と、 （ｂ）一方の基板１１の他方の基板８とは反対側の外表
面に設けられる集光レンズ５と、 （ｃ）遮光層１０であって、前記他方の基板８の前記一
方の基板１１に対向する内表面上で、集光レンズ５を透
過した光の経路上に配置される遮光層１０と、 （ｄ）液晶層２であって、前記基板１１，８間の前記間
隔に充填され、印加される電界によって屈折率が変化
し、電界が印加されないとき、前記集光点Ｓが、遮光層
１０の位置であり、電界が印加されることによって、集
光レンズ５を透過した光を発散する液晶層２と、 （ｅ）一対の透明電極１２，９であって、前記一方の基
板１１の前記他方の基板８に対応する内表面と、前記他
方の基板８の前記内表面とにそれぞれ形成され、集光レ
ンズ５を透過した光の経路上に形成されたホール１２
ａ，９ａをそれぞれ有し、これらの一対の電極１２，９
間に与えられる電圧によって、液晶層２に電界を印加
し、ホール１２ａ，９ａは、集光レンズ５からの光が液
晶層２によって発散されて透過することができる面積を
有する透明電極１２，９とを含み、 （ｆ）遮光層１０は、ホール１２ａ，９ａ内に存在し、
液晶層２に電界が印加されない状態で集光レンズ５から
液晶層２を透過した光が集光する集光点Ｓに一致してお
り、集光点Ｓの集光光の照射領域とほぼ等しい大きさの
面積Ａを有することを特徴とする可変焦点レンズ素子で
ある。

【００２４】また本発明は、（ａ）絶縁性を有し、相互
に間隔をあけて配置される一対の透光性基板１１，８
と、 （ｂ）一方の基板１１の他方の基板８とは反対側の外表
面に設けられる複数の各画素に対応して配置される複数
の集光レンズ５を有するマイクロレンズアレイ２７と、 （ｃ）遮光層１０であって、前記他方の基板８の前記一
方の基板１１に対向する内表面上で、各集光レンズ５を
それぞれ透過した光の経路上に配置される複数の遮光層
１０と、 （ｄ）液晶層２であって、前記基板１１，８間の前記間
隔に充填され、印加される電界によって屈折率が変化
し、電界が印加されないとき、前記集光点Ｓが、遮光層
１０の位置であり、電界が印加されることによって、集
光レンズ５を透過した光を発散する液晶層２と、 （ｅ）一対の透明電極１２，９であって、前記一方の基
板１１の前記他方の基板８に対応する内表面と、前記他
方の基板８の前記内表面とにそれぞれ形成され、各電極
１２，９は、前記一方の基板１１の前記内表面と前記他
方の基板８の前記内表面とに、複数の帯状に、かつ互い
に直交するマトリクス形に配置してそれぞれ形成され、
電極１２，９の交差部分を前記画素とし、これらの各電
極１２，９は、集光レンズ５を透過した光の経路上に形
成されたホール１２ａ，９ａをそれぞれ有し、これらの
一対の電極１２，９間に与えられる電圧によって、液晶
層２に電界を印加し、ホール１２ａ，９ａは、集光レン
ズ５からの光が液晶層２によって発散されて透過するこ
とができる面積を有する透明電極１２，９とを含み、 （ｆ）遮光層１０は、ホール１２ａ，９ａ内に存在し、
液晶層２に電界が印加されない状態で集光レンズ５から
液晶層２を透過した光が集光する集光点Ｓに一致してお
り、集光点Ｓの集光光の照射領域とほぼ等しい大きさの
面積Ａを有することを特徴とする空間光変調装置であ
る。

【００２５】また本発明は、（ａ）絶縁性を有し、相互
に間隔をあけて配置される一対の透光性基板１１，８
と、 （ｂ）一方の基板１１の他方の基板８とは反対側の外表
面に設けられる複数の各画素に対応して配置される複数
の集光レンズ５を有するマイクロレンズアレイ２７と、 （ｃ）遮光層１０であって、前記他方の基板８の前記一
方の基板１１に対向する内表面上で、各集光レンズ５を
それぞれ透過した光の経路上に配置される複数の遮光層
１０と、 （ｄ）液晶層２であって、前記基板１１，８間の前記間
隔に充填され、印加される電界によって屈折率が変化
し、電界が印加されないとき、前記集光点Ｓが、遮光層
１０の位置であり、電界が印加されることによって、集
光レンズ５を透過した光を発散する液晶層２と、 （ｅ）一対の透明電極１２，９であって、前記一方の基
板１１の前記他方の基板８に対応する内表面と、前記他
方の基板８の前記内表面とにそれぞれ形成され、前記一
対の電極１２，９のいずれか一方の電極１２は、前記画
素に対応してマトリクス形に配置される画素電極であ
り、いずれか他方の電極９は、前記一方の電極１２に共
通に対向する対向電極であり、これらの各電極１２，９
は、集光レンズ５を透過した光の経路上に形成されたホ
ール１２ａ，９ａをそれぞれ有し、これらの一対の電極
１２，９間に与えられる電圧によって、液晶層２に電界
を印加し、ホール１２ａ，９ａは、集光レンズ５からの
光が液晶層２によって発散されて透過することができる
面積を有する透明電極１２，９と、 （ｆ）前記一方の電極１２が形成される基板１１の前記
内表面上に形成され、前記一方の各電極１２に、個別的
に電圧を与えるスイッチング素子４０とを含み、 （ｇ）遮光層１０は、ホール１２ａ，９ａ内に存在し、
液晶層２に電界が印加されない状態で集光レンズ５から
液晶層２を透過した光が集光する集光点Ｓに一致してお
り、集光点Ｓの集光光の照射領域とほぼ等しい大きさの
面積Ａを有することを特徴とする空間光変調装置であ
る。

【００２６】また本発明は、前記の空間光変調装置２６
ａ〜２６ｃを、ライトバルブとして用いたことを特徴と
する投射型液晶表示装置である。

【００２７】また本発明は、バックライトと、請求項２
または３に記載され、バックライト上に配置される空間
光変調装置２６とを含むことを特徴とする直視型液晶表
示装置である。

【００２８】

【作用】本発明に従えば、図１０〜図１３に関連して後
述されるように、一対の透明電極１２，９間に電圧を与
えて液晶層２に電界を与えたり、与えなかったりするこ
とによって、液晶層２の屈折率を変化し、液晶層２に電
界を印加しないとき、集光レンズ５の働きによって、入
射光は、集光点Ｓに位置される遮光層１０に照射されて
吸収され、したがって入射光が出射しない暗い（黒）状
態となり、また液晶層２に電界を印加するとき、透明電
極１２，９のホール１２ａ，９ａを経て入射光が出射さ
れ、入射光は集光されずに発散され、これによって明る
い（白）状態とすることができる。こうして液晶層２へ
の電界の有無によって、出射光の明るい（白）状態と、
暗い（黒）状態とにスイッチング動作を行うことができ
る。液晶層２に電界が印加される状態で、出射光は前述
のように発散され、このとき入射光の一部分は、遮光層
１０によって後述の図１１（ｂ）のように部分的に遮断
されるけれども、このような遮光層１０は、集光点Ｓの
集光光の照射領域とほぼ等しい大きさの面積Ａを有し、
すなわち比較的小さい面積Ａであり、したがって電界印
加時では、出射光の光量は充分大きい。

【００２９】本発明に従えば、前述の可変焦点レンズ素
子を用いて、単純マトリクス形およびアクティブマトリ
クス形の空間光変調装置が実現される。

【００３０】さらに本発明に従えば、単純マトリクス形
またはアクティブマトリクス形の空間光変調装置を用い
て、投射型および直視型の液晶表示装置が実現される。

【００３１】

【実施例】図１は、本発明の前提となる第１の構成であ
るＶＦＬ素子１ａの構成を示す断面図である。ＶＦＬ素
子１ａは、液晶素子６と、エネルギ供給手段である電源
装置７とを含んで構成され、前記液晶素子６は、可変屈
折率層である液晶層２と、前記液晶層２を間に介在する
エネルギ印加手段である一対の基板部材３，４と、前記
一対の基板部材３，４のうちの光入射側の基板部材４の
液晶層２とは反対側に配置される集光レンズ５とを含ん
で構成される。前記一対の基板部材３，４のうちの光出
射側の一方基板部材３は、透光性基板８と、当該透光性
基板８の液晶層側表面に形成される透明電極９とを含ん
で構成され、光入射側の他方基板部材４は、透光性基板
１１と、当該透光性基板１１の液晶層側表面に形成され
る透明電極１２とを含んで構成される。このようにＶＦ
Ｌ素子１ａは、可変屈折率層材料として液晶を、外部か
ら供給されるエネルギとして電界をそれぞれ使用するも
のである。

【００３２】なお、本構成のＶＦＬ素子１ａは、基板部
材３，４の表面に対して液晶分子の長軸方向がほぼ平行
で、かつ各液晶分子の長軸方向がほぼ同一方向となる第
１の規制状態と、基板部材３，４の表面に対して液晶分
子の長軸方向がほぼ垂直となる第２の規制状態とでスイ
ッチングを行う。第１の規制状態は、電界を印加しない
ときの後述する液晶配向膜の配向規制力によって得ら
れ、第２の規制状態は、電界を印加することによって得
られる。液晶分子は、常光屈折率と異常光屈折率とが互
いに異なるので、電界の印加によって液晶分子の配向状
態を変えることで、液晶層２の屈折率を変えることがで
き、可変屈折率層として充分に機能する。前記ＶＦＬ素
子１ａは、たとえば以下のようにして作成される。ま
ず、透光性基板８，１１の表面に透明電極９，１２がそ
れぞれ形成される。透光性基板８，１１としては、たと
えば０．５ｍｍの厚さのガラス基板（コーニング社製、
商品名７０５９）が用いられる。透明電極９，１２とし
ては、たとえばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いら
れ、当該ＩＴＯをスパッタリング法によって０．１μｍ
〜１．１μｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法を
用いて所定の形状にパターン形成する。

【００３３】次に、前述したような電界を印加しないと
きにおいて、液晶分子の配向（初期配向）を規制するた
めに、図示しない液晶配向膜が形成される。液晶配向膜
は、ポリイミド膜などで実現され、たとえば日産化学社
製、商品名ＲＮ−１０２４を前記透明電極９，１２を覆
って透光性基板８，１１上に塗布し、１８０℃の温度で
焼成した後、ラビング法によって配向処理を施すことに
よって形成される。

【００３４】このようにして作成された一対の基板部材
３，４を、液晶配向膜表面が互いに対向するようにし
て、またラビング方向が平行かつ反対となるようにして
配置され、たとえば５０μｍの厚さのマイラフィルムを
スペーサとし、一対の基板部材３，４のうちのいずれか
一方の基板部材上にスクリーン印刷法などによって塗布
された接着剤を介して貼合わせられる。このとき、一部
分に接着剤を塗布しないことによって液晶注入口が形成
され、真空脱気を行うことによって液晶注入口から液晶
が注入されて液晶層２が形成される。液晶としては、た
とえばネマティック液晶が使用され、本実施例ではＢＤ
Ｈ社製、商品名ＢＬ００７（常光屈折率ｎｅ＝１．５３
０、異常光屈折率ｎｏ＝１．８１６）を用いた。

【００３５】さらに、他方基板部材４の液晶層２とは反
対側表面に集光レンズ５が配置される。集光レンズ５側
から液晶素子６に入射した光が、液晶層２に電界が印加
されないときにおいて、基板部材３の液晶層２側表面上
に集光するように、液晶層２の材料に応じた焦点距離を
有する集光レンズ５が選ばれる。たとえば、集光レンズ
５の焦点距離は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度の範囲に
選ばれる。集光レンズ５は、光の利用効率の面から、Ｖ
ＦＬ素子１ａに入射した光をより多く集光できるだけの
レンズ径を有することが好ましい。

【００３６】図２は、集光レンズ５の形状を示す斜視図
である。集光レンズ５は、図２（Ａ）に示されるよう
な、点状に、光の集光点が形成されるマイクロレンズを
複数個組み合わせたマイクロレンズアレイ５ａで実現し
てもよい。また、図２（Ｂ）に示されるような、線状に
集光点が形成される、いわゆるレンチキュラーレンズで
実現してもよい。

【００３７】また、本構成のＶＦＬ素子１ａでは、集光
レンズ５の液晶素子６とは反対側には、図示しない偏光
素子が、その透過軸が液晶分子の初期配向方向に応じた
方向となるようにして配置される。ＶＦＬ素子１ａに入
射する光は、前記偏光素子によって液晶分子の配向方向
（異常光方向）に偏光面を有する光となる。

【００３８】このようにして作成された液晶素子６に
は、前記透明電極９，１２に電源装置７が接続され、電
源電圧が供給される。

【００３９】図３は、可変焦点レンズ素子１ａの動作原
理を説明するための図である。電源装置７と透明電極９
との間のスイッチ１３を、図３（Ａ）に示されるように
遮断した液晶層２に電界が印加されない状態では、集光
レンズ５側から入射した光は、光出射側の基板部材３の
液晶層２側表面上に集光点Ｓとして集光される。

【００４０】一方、図３（Ｂ）に示されるようにスイッ
チ１３を接続した、液晶層２に電界を印加した状態で
は、液晶の屈折率が変化し、集光点Ｓの位置が変化す
る。たとえば図示されるように、前記基板部材３の液晶
層２とは反対側表面から液晶素子６の外方に向かって距
離Ｔ３の位置に設定されて、入射光１４が集光される。
また、前記基板部材３の液晶層２側表面から液晶素子６
の内方に向かって距離Ｔ４の位置に集光点Ｓを設定し
て、入射光１４を集光しても構わない。

【００４１】集光点Ｓの位置を選択することによって、
光の照射面積は狭いけれども、照射強度が強い出射光
と、光の照射面積は広いけれども、照射強度が弱い光と
を得ることができる。

【００４２】図４は、本発明の前提となる第２の構成で
あるＶＦＬ素子１の構成を示す断面図である。ＶＦＬ素
子１は、前記ＶＦＬ素子１ａとほぼ同様にして構成さ
れ、一方基板部材３が、透明電極９上に形成される遮光
層１０を含んで構成されることを特徴とする。遮光層１
０は、電界が印加されない状態で、集光レンズ５側から
入射した光が集光される集光点近傍に、集光光の照射領
域にほぼ等しい大きさの所定の面積で配置される。

【００４３】遮光層１０は、たとえばクロム薄膜で実現
され、スパッタリング法などの公知の薄膜形成技術によ
って液晶配向膜の全表面にクロム薄膜が形成され、当該
クロム薄膜をフォトリソグラフィ法などによって所定の
形状にパターン形成して作成される。

【００４４】遮光層１０の面積Ａは、集光レンズ５側か
ら入射した光の液晶層２内における広がり角θ、および
基板部材４の液晶層２側表面から、入射した光が集光さ
れる集光点までの距離Ｌｓを用いて、 Ａ＝２Ｌｓ・ｔａｎ（θ） …（４） で算出される。

【００４５】図５は、前記ＶＦＬ素子１の動作原理を説
明するための図である。電源装置７と透明電極９との間
のスイッチ１３を、図５（Ａ）に示されるように遮断し
た状態、すなわち液晶層２に電界が印加されていない状
態では、集光レンズ５側から入射した光が集光される集
光点Ｓの位置には遮光層１０が配置されているので、入
射光１４は遮光層１０によって吸収される。このため入
射光１４は出射せず、観察者には暗い（黒）状態と認識
される。

【００４６】一方、図５（Ｂ）に示されるようにスイッ
チ１３を接続した状態、すなわち液晶層２に電界を印加
した状態では、液晶の屈折率が変化して、第１の構成で
説明したように集光点Ｓの位置が変化する。入射光１４
の一部は前述したのと同様に遮光層１０によって吸収さ
れるけれども、その他の入射光１４は遮光層１０が形成
されていない透光領域から出射する。したがって、観察
者には明るい（白）状態と認識される。

【００４７】本構成のＶＦＬ素子１は、上述したように
電界が印加されていない状態で暗い（黒）状態となり、
電界を印加した状態で明るい（白）状態となる、いわゆ
るノーマリブラック方式のスイッチング素子である。液
晶層２によって光路変調された集光点Ｓの軌跡は、前記
集光レンズ５を透過した光の光軸と等しい直線を描くの
で、遮光層１０によって遮光される光量を連続的に変化
させることが可能である。

【００４８】図６は、前記ＶＦＬ素子１の電気光学特性
を示すグラフである。横軸は印加電圧を、縦軸は透過率
を示している。実線１５は前記ＶＦＬ素子１の特性を示
しており、たとえば電圧０Ｖをオフ電圧とし、電圧Ｖｓ
ａｔ１をオン電圧としてスイッチングを行うことが可能
である。

【００４９】この第２の構成によれば、光の利用効率に
優れたコントラスト比の高いスイッチング特性が、厳密
な光学的設計や結晶性の高い材料を用いずに実現するこ
とができるので、従来技術と比較すると製造コストが安
価になる。また、遮光層１０を設けるだけでスイッチン
グが可能であることから、従来技術のように、２次元的
に広い面積が必要ではなく、素子の小型化が可能とな
る。

【００５０】なお、前記ＶＦＬ素子１は、液晶配向膜の
ラビング処理方向を平行に配置し、液晶の光学的異方性
を利用し、さらに光入射側に偏光素子を用いているの
で、理論上、光の利用効率は最大で５０％である。実際
には、光損失によって５０％以下となる。光の利用効率
を向上するためには、光学的に等方性な液晶を利用し、
比較的低い電圧で液晶の等方性を維持しつつ屈折率が変
化するようにすることが好ましい。たとえば、以下のよ
うにして光の利用効率を向上することができる。前述し
た液晶配向膜として、ポリアミド系高分子などの球晶性
を示す材料を用い、電界が印加されていない状態での液
晶の配向をランダム（不規則）にすることで、光学的に
等方性とする。図６中の実線１６で表される特性は、液
晶配向膜として球晶性を示す材料であるナイロン６，６
を用いた場合を示している。ここで、液晶層２の屈折率
は、電界が印加されていない状態において、液晶分子が
ランダム配向し、光学的に等方性となっているので、見
かけ上の（２次元的な）屈折率ｎａｖｅは、 ｎａｖｅ＝｛（ｎｅ2＋ｎｏ2）／２｝0.5 …（５） で表され、光の利用効率は増大する。ただし、屈折率の
変化量は減少する。前記液晶材料ＢＬ００７の平均屈折
率ｎａｖｅは１．６７９である。図６に示されるよう
に、電圧０Ｖをオフ電圧とし、電圧Ｖｓａｔ２をオン電
圧としてスイッチングを行うことが可能である。

【００５１】なお、可変屈折率層として用いる材料は、
前述した液晶に限らず、見かけ上、光学的に等方性を示
し、かつ外部から与えられるエネルギによって屈折率が
変化するような材料であれば構わない。たとえば、Ｌｉ
ＮｂＯ3 などの光学的に異方性を有する結晶を用いるこ
とができる。

【００５２】また、外部から与えられるエネルギは、電
界に限るものではなく、可変屈折率層材料の屈折率を変
えられるエネルギであればよく、たとえば磁界などを用
いても構わない。

【００５３】また、遮光層１０として用いる材料は、入
射光をほぼ完全に遮光することができる、すなわち吸収
する物質が好ましい。このため遮光層１０は、クロム以
外に、感光性樹脂などを用いて形成してもよく、また入
射光を出射させないことのみを考慮した場合、アルミニ
ウムなどの金属を用いても構わない。

【００５４】さらに、前記液晶層２としては、集光点Ｓ
の位置を変化させることから、光学的距離が長い、すな
わち液晶層２の厚さが厚い方が好ましい。

【００５５】また、遮光層１０は、その面積が小さいほ
ど光の利用効率が向上するけれども、充分なコントラス
ト比を得るためには、その面積は集光レンズ５を透過し
た集光光の照射面積以上であることが必要となる。この
ため、遮光層１０の面積としては、集光レンズ５を透過
した集光光の照射面積程度に選ぶことが好ましく、前記
式（４）によって求められる値に選ぶことが好ましい。

【００５６】さらに、集光レンズ５としては、焦点のス
ポット径が小さいこと、および入射光の波長帯域におい
て色収差などが生じにくいことが要求される。

【００５７】図７は、本発明の前提となる第３の構成で
あるＶＦＬ素子２１の構成を示す断面図である。この第
３の構成のＶＦＬ素子２１は、第２の構成のＶＦＬ素子
１の遮光層１０に代わって遮光層２２を有することを特
徴とする。遮光層２２は、前記遮光層１０と同様に、電
界が印加されていないときに、集光レンズ５側から入射
した光が集光される集光点近傍に配置されるとともに、
集光光の照射領域にほぼ等しい大きさの所定の面積の透
孔２２ａを有する。なお、前記構成と同様の部材には同
様の参照符号を付して示す。

【００５８】前記ＶＦＬ素子２１は、ＶＦＬ素子１と同
様にして形成される。ここで、遮光層２２は、透明電極
９を覆って透光性基板８の表面全面にクロム薄膜を形成
し、当該クロム薄膜の所定の領域をフォトリソグラフィ
法などによってエッチングして透孔２２ａが形成されて
作成される。透孔２２ａの面積Ａは、前記式（４）によ
って求められる。

【００５９】図８は、前記ＶＦＬ素子２１の動作原理を
説明するための図である。図８（Ａ）に示されるように
スイッチ１３を遮断した電界が印加されていない状態で
は、集光レンズ５側から入射した光が集光される集光点
Ｓの位置には透孔２２ａがあるので、入射光１４は透孔
２２ａに入射し、当該透孔２２ａから出射する。したが
って、観察者には明るい（白）状態と認識される。

【００６０】一方、図８（Ｂ）に示されるようにスイッ
チ１３を接続した電界を印加した状態では、集光点Ｓの
位置が、集光レンズ５に近接又は離反する方向に移動す
る。入射光１４は集光点Ｓに集光され、その一部は透孔
２２ａから出射するけれども、他の入射光１４は遮光層
２２によって吸収される。したがって、観察者には暗い
（黒）状態と認識される。

【００６１】このように、本構成のＶＦＬ素子２１は、
電界が印加されていない状態で、明るい（白）状態とな
る、いわゆるノーマリホワイト方式の素子である。

【００６２】図９は、前記ＶＦＬ素子２１の電気光学特
性を示すグラフである。横軸に印加電圧を、縦軸に透過
率をそれぞれ示している。実線２３は、前記ＶＦＬ素子
２１の特性を示している。たとえば電圧０Ｖと電圧Ｖｏ
ｆｆ１とによってスイッチングを行うことが可能であ
る。

【００６３】なお、本構成のＶＦＬ素子２１も、液晶配
向膜のラビング処理方向を平行に配置し、液晶の光学的
異方性を利用し、また光入射側に偏光素子を用いている
ので、理論上、光の利用効率は最高で５０％である。実
際には、光損失によって５０％以下となる。ＶＦＬ素子
２１の光の利用効率を向上させるために、第２の実施例
で説明したように、光学的に等方性な液晶を利用し、比
較的低い電圧で液晶の等方性を維持しつつ屈折率が変化
するようにすることが好ましい。

【００６４】第２の構成で説明したのと同様に、液晶配
向膜として球晶性を示す材料であるナイロン６，６を用
いた場合の電気光学特性を、図９中の実線２４に示す。
電界が印加されていない状態での液晶層２の見かけ上の
屈折率ｎａｖｅは、前記式（５）で求められ、光の利用
効率が増加する。ただし、屈折率の変化量が減少する。
図９に示されるように、電圧０Ｖと電圧Ｖｏｆｆ２とに
よってスイッチングを行うことが可能である。

【００６５】なお、本構成の液晶層２（可変屈折率
層）、電界（外部から与えられるエネルギ）、集光レン
ズ５および遮光層２２は、第２の構成で説明した他の材
料で実現することも可能である。

【００６６】また、遮光層２２の透孔２２ａの面積は、
小さいほど光の利用効率が向上するけれども、充分なコ
ントラスト比を得るためには、その面積は集光レンズ５
を透過した集光光の照射面積以上であることが必要とな
る。このため、遮光層２２の透孔２２ａの面積は、集光
レンズ５を透過した集光光の照射面積程度とするのが好
ましい。すなわち、前記式（４）によって求められる値
に選ぶことが好ましい。

【００６７】以上のように、第３の構成によっても、光
の利用効率に優れたコントラスト比の高いスイッチング
特性を、従来技術と比較して安価に実現することができ
る。また、素子の小型化が可能となる。

【００６８】図１０は、本発明の一実施例であるＶＦＬ
素子２５の動作原理を説明するための図である。また図
１１は、ＶＦＬ素子２５とＶＦＬ素子１とを比較して示
す図である。本発明のＶＦＬ素子２５は、第２の構成の
ＶＦＬ素子１の液晶層２を凹レンズ化したものであり、
このように液晶層２を凹レンズとする例は、前述した文
献、すなわち「光学第２０巻第４号（１９９１，４），
ハイブリッド配向液晶電気光学マイクロレンズにおける
光学特性および分子配向，増田伸、能勢敏明、佐藤進」
などに開示されている。ＶＦＬ素子２５は、ＶＦＬ素子
１と同様の構成部材からなるけれども、透明電極９，１
２が所定のパターン状に形成され、遮光層１０が、透明
電極９が形成されていない液晶層２側表面に配置されて
いることを特徴とする。

【００６９】前記ＶＦＬ素子１は、集光レンズ５を設け
て入射光の集光点を変化させるものである。この場合、
図１１（Ａ）に示される領域Ａを通過する光が遮光され
る。本実施例のＶＦＬ素子２５は、集光レンズ５を設け
るとともに、液晶層を凹レンズ化することによって、集
光した光を発散させる。この場合、図１１（Ｂ）に示さ
れる前記領域Ａよりも狭い領域Ｂを通過する光が遮光さ
れる。このため、光の損失が少なく、ＶＦＬ素子１と比
較して光の利用効率が向上する。

【００７０】図１２は、電極９，１２の形状を示す斜視
図である。以下に、ＶＦＬ素子２５の作成方法について
説明する。なお、前記ＶＦＬ素子１と同じようにして作
成される部分についての説明は省略し、ＶＦＬ素子１と
異なる部分についてのみ説明する。

【００７１】透光性基板８，１１上には、所定の形状の
透明電極９，１２をそれぞれ形成するために、たとえば
ＩＴＯ膜がそれぞれ全面に形成される。このＩＴＯ膜
は、前記ＶＦＬ素子１と同様にして形成される。次に、
ＩＴＯ膜が所定の形状にフォトリソグラフィ法によって
パターン形成される。

【００７２】ここで、ＩＴＯ膜には、少なくとも集光レ
ンズ５を透過した光の光路上に電極が配置されないよう
にホール９ａ，１２ａが形成される。集光レンズ５がマ
イクロレンズで実現される場合、図１２（Ａ）に示され
るように円形のホール９ａ，１２ａが形成される。レン
チキュラーレンズを用いた場合も、光は直線状に集光さ
れるので、光路上には、図１２（Ｂ）に示されるような
スリット状のホールが形成される。

【００７３】次に、液晶配向膜が、透明電極９，１２を
覆って透光性基板８，１１にそれぞれ形成される。ここ
で、一方の液晶配向膜は、液晶分子を基板部材の表面に
対して垂直に配向させるような材料に選ばれ、他方の液
晶配向膜は前記表面に対して平行に配向させるような材
料に選ばれる。垂直に配向させる液晶配向膜として、た
とえば東京応化社製、商品名ＬＳ−２０４を塗布し、平
行に配向させる液晶配向膜として、たとえば球晶性を示
す材料であるナイロン６，６を塗布し、ともに１８０℃
で焼成した。

【００７４】さらに、遮光層１０を形成する。遮光層１
０は、クロム薄膜を、透光性基板８上に形成された液晶
配向膜の全面にＶＦＬ素子１と同様にして形成した後、
前記透明電極９のホール９ａ内にパターン形成される。
遮光層１０の面積Ａは、前記式（４）から求められる。

【００７５】作成された基板部材３，４を、互いの基板
部材３，４の電極の位置を合わせて貼合わせ、液晶層２
を形成した後、集光レンズ５が配置される。

【００７６】図１０（Ａ）に示される液晶層２に電界が
印加されない状態では、集光レンズ５側から入射した光
が集光される集光点Ｓの位置には遮光層１０が配置され
ているので、入射光１４は遮光層１０によって吸収され
る。このため入射光１４は出射せず、観察者には暗い
（黒）状態と認識される。

【００７７】一方、図１０（Ｂ）に示される液晶層２に
電界を印加した状態では、液晶層２が凹レンズとして作
用し、当該液晶層２に入射した光は発散する。入射光１
４の一部は前述したのと同様に遮光部１０によって吸収
されるけれども、その他の入射光１４は遮光部１０が形
成されていない前記ホール９ａ，１２ａである透光領域
から出射する。したがって、観察者には明るい（白）状
態と認識される。

【００７８】図１３は、前記ＶＦＬ素子２５の電気光学
特性を示すグラフである。横軸は印加電圧を、縦軸は透
過率をそれぞれ示す。たとえば、電圧０Ｖと電圧Ｖｓａ
ｔとによってスイッチングを行うことが可能である。こ
のように、液晶層２を凹レンズ化することによって、光
の透光率はさらに向上する。

【００７９】なお、本実施例においても、液晶層２、電
界および遮光層１０は、前述の構成と同様に他の材料で
実現してもかまわない。

【００８０】また、液晶層２の厚さは、透光性基板８，
１１の厚さの約１／１０〜１／１００程度に選ばれる。
たとえば透光性基板８，１１は、１．１ｍｍの厚みに選
ばれる。このため、集光レンズ５を透過した光は、透光
性基板１１を通過した時点で、かなり集光されている。
たとえば、図１０（Ｂ）を参照して、透光性基板１１に
入射する光のスポット径Ｒｇに比べて、透光性基板１１
を出射する光のスポット径Ｒｌｃは著しく小さくなる。
前記スポット径の差Ｒｇ−Ｒｌｃで表される領域（デッ
ドエリア）は、実際のスイッチングには寄与しないの
で、この領域を利用して透明電極９，１２を作成し、液
晶層２を凹レンズ化することが可能である。したがっ
て、従来技術のような開口率が減少するというような不
都合が生じない。このことは、ノーマリブラック方式に
限らず、ノーマリホワイト方式においても言えることで
ある。

【００８１】図１４は、本発明の前提となる第４の構成
である空間光変調（以下、「ＦＬＭ」(Field Light Mod
urator）と称する）装置２６の構成を示す断面図であ
る。ＦＬＭ装置２６は、第２の構成のＶＦＬ素子１の透
明電極９，１２を複数の帯状に形成し、かつ互いに直交
するように配置したマトリクス型の装置であり、電極の
交差部分を画素とし、各画素にそれぞれ対応する複数の
集光レンズ５を有するマイクロレンズアレイ２７と、各
絵素にそれぞれ対応する複数の遮光層１０とを設けたこ
とを特徴とする。ＦＬＭ装置２６は、前記ＶＦＬ素子１
と同様のノーマリホワイト方式の素子である。

【００８２】複数の集光レンズ５を有するマイクロレン
ズアレイ２７は、たとえば特開平３−２０２３３０号公
報や特開平３−２３３４１７号公報に開示されている方
法によって作成することができる。当該公報によれば、
マイクロレンズアレイ２７は、所定の光学素子上に感光
性樹脂層を形成し、紫外線に対して透明なスタンパを前
記感光性樹脂層に押当て、さらに前記スタンパを介して
紫外線を照射して感光性樹脂層を硬化させることによっ
て形成される。前記スタンパにはマイクロレンズアレイ
２７の原型が形成されている。

【００８３】ＦＬＭ装置２６は、各画素毎に前記ＶＦＬ
素子１と同様の動作原理によって明暗（白黒）によるス
イッチングが行われる。たとえば単純マトリクス駆動方
式による液晶表示装置として用いることができる。

【００８４】また、前記遮光層１０の領域に透孔を有す
る遮光層を設け、第３の構成のＶＦＬ素子２１と同様
に、ノーマリホワイト方式の素子とすることも可能であ
る。

【００８５】図１５は、前記ＦＬＭ装置２６と同様にし
て構成される３つのＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃを用いた
投写型液晶表示装置３９の構成を示す図である。光源２
８から照射された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の
光は、まず赤色用ダイクロイックミラー２９によって赤
色の光のみが反射され、他の光は透過する。透過した光
は緑色用ダイクロイックミラー３０によって、緑色の光
のみが反射し、青色の光が透過する。２つのダイクロイ
ックミラー２９，３０によって分離された赤、緑および
青の光は、それぞれＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃに入射す
る。赤色の光は反射板３２で反射し、レンズ３６を通過
してＦＬＭ装置２６ａに入射する。緑色の光はレンズ３
７を透過してＦＬＭ装置２６ｂに入射する。青色の光は
レンズ３８を透過してＦＬＭ装置２６ｃに入射する。各
ＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃを通過した光は投影レンズ３
５を介して出射される。赤色の光はダイクロイックミラ
ー３３，３４をそのまま通過して出射し、緑色の光はダ
イクロイックミラー３３で反射し、ダイクロイックミラ
ー３４を通過して出射し、青色の光は、反射板３１で反
射し、ダイクロイックミラー３４で反射して出射する。

【００８６】各ＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃには、赤、
緑、および青の画像が表示され、上述したようにして各
色の光を合成することによってカラー表示が実現され
る。このように、前記ＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃをライ
トバルブとして用い、図示されるような光学システムに
使用することによって、高輝度な投写型液晶表示装置３
９を得ることができる。なお、バックライト上にＦＬＭ
装置２６を配置することによって、直視型の液晶表示装
置としても用いることができる。

【００８７】本発明の他の実施例では、図１４および図
１５のＶＦＬ素子２６；２６ａ，２６ｂ，２６ｃに代え
て前述のＶＦＬ素子２５のように、液晶層２を凹レンズ
化することも可能である。

【００８８】図１６は、本発明の前提となる第５の構成
であるＦＬＭ装置４７の１画素の領域を拡大して示す断
面図である。本構成のＦＬＭ装置４７は、ＴＦＴ素子を
用いたアクティブマトリクス駆動方式の装置である。透
光性基板１１上の透明電極１２は、マトリクス状に互い
に間隔を開けて形成される画素電極となる。また、各画
素電極に対して個別的にＴＦＴ素子が設けられる。ま
た、透光性基板８上の透明電極９は、当該基板８のほぼ
全面に形成される対向電極となる。

【００８９】第４の構成のＦＬＭ装置２６は、単純マト
リクス駆動を採用するため、駆動電圧比Ｖｏｎ／Ｖｏｆ
ｆ（デューティ比）は、 Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆ＝（Ｎ0.5＋１／Ｎ0.5−１）0.5 …（６） で求められる。Ｎはデューティ数（１／Ｎ；デューティ
比）であり、通常、走査線数と同じに選ばれる。単純マ
トリクス駆動方式では、走査線数の増大に伴い、印加電
圧のｏｎ／ｏｆｆ比が減少するために、高精細化が困難
であり、かつ階調表示を行う際に、各階調間の電圧差が
僅差となり、電気的雑音などの影響が深刻な問題とな
る。本構成のＦＬＭ装置４７は、各画素に対応してスイ
ッチング素子であるＴＦＴ素子４０を形成することによ
って、上述した問題を解消し、駆動電圧比が前記式
（６）に支配されないようにしている。以下にＴＦＴ素
子４０の作成方法について説明する。

【００９０】図１７は、ＴＦＴ素子４０の製造方法を示
す工程図である。工程Ｓ１では、ゲートバス配線および
ゲート電極４１が形成される。ＴＦＴ素子４０は光入射
側の透光性基板１１上に形成されるので、まず、当該透
光性基板１１上にスパッタリング法によって３００ｎｍ
の厚さのＴａ金属層を形成する。当該Ｔａ金属層を、フ
ォトリソグラフィ法およびエッチング法によってパター
ン形成し、ゲートバス配線およびゲート電極４１を作成
する。

【００９１】工程Ｓ２では、ゲート絶縁膜４２が形成さ
れる。当該ゲート絶縁膜４２は、たとえばプラズマＣＶ
Ｄ(Chemical Vapor Deposition）法によって４００ｎｍ
の厚さのＳｉＮｘを、前記ゲートバス配線およびゲート
電極４１を覆って透光性基板１１上に形成することによ
って作成される。

【００９２】工程Ｓ３では、コンタクト層４４および半
導体層４３が形成される。まず、前記ゲート絶縁膜４２
上に半導体層４３となる１００ｎｍの厚さのａ−Ｓｉ層
と、コンタクト層４４となる４０ｎｍの厚さのｎ+型ａ
−Ｓｉ層とをこの順番に連続的に形成する。次に、前記
２つの層を同時にパターン形成することによってコンタ
クト層４４と半導体層４３が形成される。

【００９３】工程Ｓ４では、ソース電極４５、ドレイン
電極４６およびソースバス配線が形成される。まず、コ
ンタクト層４４および半導体層４３が形成された基板上
に２００ｎｍの厚さのＭｏ金属層をスパッタリング法に
よって形成し、当該Ｍｏ金属層をパターン形成すること
によってソース電極４５、ドレイン電極４６およびソー
スバス配線が形成される。このようにしてＴＦＴ素子４
０が完成する。

【００９４】このようなＴＦＴ素子４０を有するＦＬＭ
装置４７においても、各画素は、第１の構成のＶＦＬ素
子１と同様の動作原理によって、明暗（白黒）によるス
イッチングを行う。たとえば、アクティブマトリクス駆
動の液晶表示装置とすることができる。

【００９５】なお、本構成のＦＬＭ装置４７は、第２の
構成のＶＦＬ素子１と同様に、ノーマリブラック方式の
装置であるけれども、第３の構成のＶＦＬ素子２１と同
様のノーマリホワイト方式の装置とすることも可能であ
る。

【００９６】本発明の他の実施例では、前述の構成のＦ
ＬＭ装置４７において、前述の本発明のＶＦＬ素子２５
のように、液晶層２を凹レンズ化することも可能であ
る。さらに、第５の実施例で説明したように、ＦＬＭ装
置４７をライトバルブとして用い、図１５に示されるよ
うなの光学系に使用することによって高輝度な投写型液
晶表示装置を作成することも可能である。

【００９７】また、本実施例では、スイッチング素子と
してＴＦＴ素子４０を使用する例を説明したけれども、
２端子素子の非線形特性を用いたＭＩＭ（Metal-Insula
tor-Metal）素子およびバリスタなどを用いてもかまわ
ない。

【００９８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、集光レン
ズからの入射光は、一対の透明電極１２，９間に電圧を
与えて液晶層２に電界を印加することによって、前述の
図１０（ｂ）に示されるように出射光が発散され、多孔
層１０によって遮断される光の量は比較的わずかであ
り、こうして光が出射する明るい（白）状態を得ること
ができ、これに対して液晶装置２に電界を印加しないと
き、前述の図１０（Ａ）に示されるように、入射光の全
てが遮光層１０によって遮断され、したがって暗い
（黒）状態が得られる。こうして電界の有無に応じて明
暗の差が大きいスイッチング動作を行うことができる可
変焦点レンズ素子が実現される。こうして本発明によれ
ば、電界印加時における液晶層２の凹レンズ作用を利用
し、光の利用効率を向上し、明るい（白）状態を、容易
に実現することができる。

【００９９】さらに本発明では、遮光層１０は、透明電
極９が形成される基板８の内表面上に遮光層１０が形成
されるので、この電極９と遮光層１０との相対的な位置
決めによる精度を向上することが容易であり、製造が容
易である。

【０１００】本発明によれば、上述の可変焦点レンズ素
子を用いて、単純マトリクス形またはアクティブマトリ
クス形の空間光変調装置を実現することができ、さらに
このような空間光変調装置を用いて投射型および直視型
液晶表示装置を実現し、明るい（白）状態と暗い（黒）
状態との光量差を大きくした構成が容易に実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の前提となる第１の構成であるＶＦＬ素
子１ａの構成を示す断面図である。

【図２】集光レンズ５を示す斜視図である。

【図３】前記ＶＦＬ素子１ａの動作原理を説明するため
の図である。

【図４】本発明の前提となる第２の構成であるＶＦＬ素
子１の構成を示す断面図である。

【図５】前記ＶＦＬ素子１の動作原理を説明するための
図である。

【図６】前記ＶＦＬ素子１の電気光学特性を示すグラフ
である。

【図７】本発明の前提となる第３の構成であるＶＦＬ素
子２１の構成を示す断面図である。

【図８】前記ＶＦＬ素子２１の動作原理を説明するため
の図である。

【図９】前記ＶＦＬ素子２１の電気光学特性を示すグラ
フである。

【図１０】本発明の一実施例であるＶＦＬ素子２５の動
作原理を説明するための図である。

【図１１】ＶＦＬ素子１，２５を示す図である。

【図１２】電極９，１２を示す斜視図である。

【図１３】前記ＶＦＬ素子２５の電気光学特性を示すグ
ラフである。

【図１４】本発明の前提となる第４の構成であるＦＭＬ
装置２６の構成を示す断面図である。

【図１５】前記ＦＬＭ装置２６と同様にして構成される
ＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃを用いた投写型液晶表示装置
３９の構成を示す図である。

【図１６】本発明の前提となる第５の構成であるＦＬＭ
装置４７の１画素の領域を拡大して示す断面図である。

【図１７】ＴＦＴ素子４０の製造方法を示す工程図であ
る。

【図１８】第１の従来例であるＶＦＬ素子１０１の構成
を示す断面図である。

【図１９】印加電圧に対応した液晶分子１０２ａの状態
を示す図である。

【図２０】出射光の強度を示す図である。

【図２１】ＶＦＬ素子１０１の動作原理を説明するため
の図である。

【図２２】第２の従来例である液晶光シャッタ１２１の
構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２１，２５ ＶＦＬ素子 １ａ ＶＦＬ素子 ２，５２ 液晶層 ３，４，５４，５５ 基板部材 ５ 集光レンズ ７，５７ 電源装置 ８，１１，５８，６１ 透光性基板 ９，１２，５９，６２ 透明電極 １０，２２，６０，９１ 遮光層 １３，８６ スイッチ ２２ａ，９１ａ 透孔 ２６，２６ａ〜２６ｃ，４７，９２，９４ ＦＬＭ装置 ５１，９０ ＷＧ素子 ５３ 不変屈折率層 ５３ａ 凹所 ５３ｂ 三角柱の２つの側面が接する辺 ５３ｃ 円錐の頂点 ｎｇ 不変屈折率層の屈折率 ｎｃ 液晶層の屈折率 ｄ 不変屈折率層の凹所の深さ（断面二等辺三角形の高
さ） Ｄ 基板部材の間隔 Ｌ 不変屈折率層の断面二等辺三角形の底辺の長さ ２θｇ 不変屈折率層の断面二等辺三角形の頂点の成す
角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1335 - 1/13363 G02F 1/03 505 G02F 1/13 505

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）絶縁性を有し、相互に間隔をあけ
   て配置される一対の透光性基板１１，８と、 （ｂ）一方の基板１１の他方の基板８とは反対側の外表
   面に設けられる集光レンズ５と、 （ｃ）遮光層１０であって、 前記他方の基板８の前記一方の基板１１に対向する内表
   面上で、 集光レンズ５を透過した光の経路上に配置される遮光層
   １０と、 （ｄ）液晶層２であって、 前記基板１１，８間の前記間隔に充填され、 印加される電界によって屈折率が変化し、電界が印加さ
   れないとき、前記集光点Ｓが、遮光層１０の位置であ
   り、 電界が印加されることによって、集光レンズ５を透過し
   た光を発散する液晶層２と、 （ｅ）一対の透明電極１２，９であって、 前記一方の基板１１の前記他方の基板８に対応する内表
   面と、 前記他方の基板８の前記内表面とにそれぞれ形成され、 集光レンズ５を透過した光の経路上に形成されたホール
   １２ａ，９ａをそれぞれ有し、 これらの一対の電極１２，９間に与えられる電圧によっ
   て、液晶層２に電界を印加し、 ホール１２ａ，９ａは、集光レンズ５からの光が液晶層
   ２によって発散されて透過することができる面積を有す
   る透明電極１２，９とを含み、 （ｆ）遮光層１０は、 ホール１２ａ，９ａ内に存在し、 液晶層２に電界が印加されない状態で集光レンズ５から
   液晶層２を透過した光が集光する集光点Ｓに一致してお
   り、 集光点Ｓの集光光の照射領域とほぼ等しい大きさの面積
   Ａを有することを特徴とする可変焦点レンズ素子。
2. 【請求項２】 （ａ）絶縁性を有し、相互に間隔をあけ
   て配置される一対の透光性基板１１，８と、 （ｂ）一方の基板１１の他方の基板８とは反対側の外表
   面に設けられる複数の各画素に対応して配置される複数
   の集光レンズ５を有するマイクロレンズアレイ２７と、 （ｃ）遮光層１０であって、 前記他方の基板８の前記一方の基板１１に対向する内表
   面上で、 各集光レンズ５をそれぞれ透過した光の経路上に配置さ
   れる複数の遮光層１０と、 （ｄ）液晶層２であって、 前記基板１１，８間の前記間隔に充填され、 印加される電界によって屈折率が変化し、電界が印加さ
   れないとき、前記集光点Ｓが、遮光層１０の位置であ
   り、 電界が印加されることによって、集光レンズ５を透過し
   た光を発散する液晶層２と、 （ｅ）一対の透明電極１２，９であって、 前記一方の基板１１の前記他方の基板８に対応する内表
   面と、 前記他方の基板８の前記内表面とにそれぞれ形成され、 各電極１２，９は、前記一方の基板１１の前記内表面と
   前記他方の基板８の前記内表面とに、複数の帯状に、か
   つ互いに直交するマトリクス形に配置してそれぞれ形成
   され、 電極１２，９の交差部分を前記画素とし、これらの各電
   極１２，９は、 集光レンズ５を透過した光の経路上に形成されたホール
   １２ａ，９ａをそれぞれ有し、 これらの一対の電極１２，９間に与えられる電圧によっ
   て、液晶層２に電界を印加し、 ホール１２ａ，９ａは、集光レンズ５からの光が液晶層
   ２によって発散されて透過することができる面積を有す
   る透明電極１２，９とを含み、 （ｆ）遮光層１０は、 ホール１２ａ，９ａ内に存在し、 液晶層２に電界が印加されない状態で集光レンズ５から
   液晶層２を透過した光が集光する集光点Ｓに一致してお
   り、 集光点Ｓの集光光の照射領域とほぼ等しい大きさの面積
   Ａを有することを特徴とする空間光変調装置。
3. 【請求項３】 （ａ）絶縁性を有し、相互に間隔をあけ
   て配置される一対の透光性基板１１，８と、 （ｂ）一方の基板１１の他方の基板８とは反対側の外表
   面に設けられる複数の各画素に対応して配置される複数
   の集光レンズ５を有するマイクロレンズアレイ２７と、 （ｃ）遮光層１０であって、 前記他方の基板８の前記一方の基板１１に対向する内表
   面上で、 各集光レンズ５をそれぞれ透過した光の経路上に配置さ
   れる複数の遮光層１０と、 （ｄ）液晶層２であって、 前記基板１１，８間の前記間隔に充填され、 印加される電界によって屈折率が変化し、電界が印加さ
   れないとき、前記集光点Ｓが、遮光層１０の位置であ
   り、 電界が印加されることによって、集光レンズ５を透過し
   た光を発散する液晶層２と、 （ｅ）一対の透明電極１２，９であって、 前記一方の基板１１の前記他方の基板８に対応する内表
   面と、 前記他方の基板８の前記内表面とにそれぞれ形成され、 前記一対の電極１２，９のいずれか一方の電極１２は、
   前記画素に対応してマトリクス形に配置される画素電極
   であり、 いずれか他方の電極９は、前記一方の電極１２に共通に
   対向する対向電極であり、 これらの各電極１２，９は、 集光レンズ５を透過した光の経路上に形成されたホール
   １２ａ，９ａをそれぞれ有し、 これらの一対の電極１２，９間に与えられる電圧によっ
   て、液晶層２に電界を印加し、 ホール１２ａ，９ａは、集光レンズ５からの光が液晶層
   ２によって発散されて透過することができる面積を有す
   る透明電極１２，９と、 （ｆ）前記一方の電極１２が形成される基板１１の前記
   内表面上に形成され、前記一方の各電極１２に、個別的
   に電圧を与えるスイッチング素子４０とを含み、 （ｇ）遮光層１０は、 ホール１２ａ，９ａ内に存在し、 液晶層２に電界が印加されない状態で集光レンズ５から
   液晶層２を透過した光が集光する集光点Ｓに一致してお
   り、 集光点Ｓの集光光の照射領域とほぼ等しい大きさの面積
   Ａを有することを特徴とする空間光変調装置。
4. 【請求項４】 請求項２または３に記載された空間光変
   調装置２６ａ〜２６ｃを、ライトバルブとして用いたこ
   とを特徴とする投射型液晶表示装置。
5. 【請求項５】 バックライトと、 請求項２または３に記載され、バックライト上に配置さ
   れる空間光変調装置２６とを含むことを特徴とする直視
   型液晶表示装置。