JP3943450B2 - Optical deflection apparatus, optical deflection method, and image display apparatus - Google Patents

Optical deflection apparatus, optical deflection method, and image display apparatus Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光偏向装置、光偏向方法および画像表示装置に関する。
【0002】
【定義】
本明細書において、「光偏向素子」とは、外部からの電気信号により光の光路を偏向、すなわち、入射光に対して出射光を平行にシフトさせるか、ある角度を持って回転させるか、あるいは、その両者を組み合わせて光路を切り換えることが可能な光学素子を意味する。この説明において、平行シフトによる光路偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光路偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶものとする。「光偏向装置」とは、このような光偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。
【0003】
また、「ピクセルシフト素子」とは、少なくとも画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する画像表示装置における光偏向手段を意味する。したがって、基本的には、上記定義による光偏向素子や光偏向デバイスを光偏向手段として応用することが可能といえる。
【0004】
【従来の技術】
光偏向素子なる光学素子として、従来より、KHPO(KDP),NHPO(ADP),LiNbO,LiTaO,GaAs,CdTeなど第1次電気光学効果(ポッケルス効果)の大きな材料や、KTN,SrTiO,CS,ニトロベンゼン等の第2次電気光学効果の大きな材料を用いた電気光学デバイスや、ガラス、シリカ、TeOなどの材料を用いた音響光学デバイスが知られている(例えば、青木昌治編;「オプトエレクトロニックデバイス」、昭晃堂)。
これらは、一般的に、十分大きな光偏向量を得るためには光路長を長くとる必要があり、また、材料が高価であるため用途が制限されている。
【0005】
一方で、液晶材料を用いた光偏向素子なる光学素子も各種提案されており、その数例を挙げると、以下に示すような提案例がある。
【0006】
例えば、特開平6−18940号公報に開示された技術によれば、光空間スイッチの光の損失を低減することを目的に、人工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されている。内容的には、2枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間に液晶層を挟んだ光ビームシフタ、および、マトリクス形偏向制御素子の後面に前記光ビームシフタを接続した光ビームシフタが提案され、併せて、2枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間にマトリクス駆動が可能で、入射光ビームを半セルシフトする液晶層を挟んだ光ビームシフタを半セルずらして多段接続した光ビームシフタが提案されている。
【0007】
また、特開平9−133904号公報に開示された技術によれば、大きな偏向を得ることが可能で、偏向効率が高く、しかも、偏向角と偏向距離とを任意に設定することができる光偏向スイッチが提案されている。具体的には、2枚の透明基板を所定の間隔で対向配置させ、対向させた面に垂直配向処理を施し、透明基板間にスメクチックA相の液晶を封入し、前記透明基板に対して垂直配向させ、スメクチック層と平行に交流電界を印加できるように電極対を配置し、電極対に交流電界を印加する駆動装置を備えた液晶素子である。すなわち、スメクチックA相の液晶による電傾効果を用い、液晶分子の傾斜による複屈折によって、液晶層に入射する偏光の屈折角と変位する方向を変化できるようにしたものである。
【0008】
前者の特開平6−18940号公報に開示された技術においては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、高速なスイッチングが必要な用途には用いることはできない。
【0009】
また、後者の特開平9−133904号公報に開示された技術においては、スメクチックA相の液晶を用いているが、スメクチックA相は自発分極を持たないため、高速動作は望めない。
【0010】
次に、ピクセルシフト素子に関して従来提案されている技術を数例挙げて説明する。ピクセルシフト素子を用いた技術としては、例えば、特許第2939826号公報に開示されているように、表示素子に表示された画像を投写光学系によりスクリーン上に拡大投影する投影表示装置において、前記表示素子から前記スクリーンに至る光路の途中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくとも1個以上と複屈折効果を有する透明素子を少なくとも1個以上を有してなる投影画像をシフトする手段と、前記表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投影領域が前記スクリーン上で離散的に投影される手段と、を備えた投影表示装置がある。
【0011】
同公報に開示された技術においては、偏光方向を旋回できる光学素子(旋光素子と呼ぶ)を少なくとも1個以上と複屈折効果を有する透明素子(複屈折素子と呼ぶ)を少なくとも1個以上を有してなる投影画像シフト手段(ピクセルシフト手段)によりピクセルシフトを行っているが、問題点として、旋光素子と複屈折素子とを組み合わせて使用するため、光量損失が大きいこと、光の波長によりピクセルシフト量が変動し解像度が低下しやすいこと、旋光素子と複屈折素子との光学特性のミスマッチから本来画像が形成されないピクセルシフト外の位置に漏れ光によるゴースト等の光学ノイズが発生しやすいこと、素子化のためのコストが大きいことが挙げられる。特に、複屈折素子に前述したようなKHPO(KDP),NHPO(ADP),LiNbO,LiTaO,GaAs,CdTeなど第1次電気光学効果(ポッケルス効果)の大きな材料を使用した場合、顕著である。
【0012】
また、特開平5−313116号公報に開示されている投影機においては、制御回路により、画像蓄積回路に蓄積した本来表示すべき画像を市松状に画素選択回路へサンプリングして順次空間光変調器に表示し、投影させ、さらに、制御回路により、この表示に対応させてパネル揺動機構を制御して空間光変調器の隣接画素ピッチ距離を整数分の一ずつ移動させることで、本来表示すべき画像を時間的な合成により再現するようにしている。これにより、空間光変調器の画素の整数倍の分解能で画像を表示可能にするとともに、画素の粗い空間光変調器と簡単な光学系を用いて安価に投影機を構成可能としている。
【0013】
ところが、同公報に開示された技術においては、画像表示用素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動させるピクセルシフト方式が記載されており、この方式では、光学系は固定されているので諸収差の発生が少ないが、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる必要があるため、可動部の精度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
【0014】
さらに、特開平6−324320号公報に開示された技術によれば、LCD等の画像表示装置の画素数を増加させることなく、表示画像の解像度を、見掛け上、向上させるため、縦方向および横方向に配列された複数個の画素の各々が、表示画素パターンに応じて発光することにより、画像が表示される画像表示装置と、観測者又はスクリーンとの間に、光路をフィールド毎に変更する光学部材を配し、また、フィールド毎に、前記光路の変更に応じて表示位置がずれている状態の表示画素パターンを画像表示装置に表示させるようにしている。ここに、屈折率が異なる部位が、画像情報のフィールド毎に、交互に、画像表示装置と観測者又はスクリーンとの間の光路中に現れるようにすることで、前記光路の変更が行われるものである。
【0015】
同公報に開示された技術においては、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料の組み合わせ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、上記旋光素子と複屈折素子を組み合わせてなる方式の他に、ボイスコイル、圧電素子等によりレンズ、反射板、複屈折板等の光学素子を変位(平行移動、傾斜)させ光路を切り換える方式が提案されているが、この方式においては、光学素子を駆動するために構成が複雑となりコストが高くなる。
【0016】
また、特開平10−133135号公報に開示された技術によれば、回転機械要素を不要化でき、全体の小型化、高精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の影響を受け難い光ビーム偏向装置が提案されている。具体的には、光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、圧電素子の光ビーム入射面と光ビーム出射面との間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させるために電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。
【0017】
同公報に開示された技術では、透光性の圧電素子を透明の電極で挟み、電圧を印加することで厚みを変化させて光路をシフトさせる方式が提案されているが、比較的大きな透明圧電素子を必要とし、装置コストがアップする等、前述の特開平6−324320号公報の場合と同様の問題点がある。
【0018】
ところで、特開2001−264821公報には、目的は異なるが電界切り換え方向に直交する電界成分を与えてドメイン発生を防止するようにした技術が開示されている。同公報に開示された技術によれば、ニュートラルな電界状態でホメオトロピック配向した液晶デバイスと、基板にほぼ平行な方向に電界を加える電極対を有し、液晶分子の配向方向を変化させて偏光面を変化させる。電極対の数は光線が液晶デバイスを通過する位置における電界の均一性を増加させるために、増やすことができる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の出願人によれば、透明な一対の基板と、基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相よりなる液晶と、この液晶5に電界を作用させる少なくとも1組以上の電界印加手段とを備える光偏向素子が出願されている。キラルスメクチックC相よりなる液晶を利用することにより、従来の光偏向素子と比較して、構成が複雑であることに伴う高コスト化、装置の大型化、光量損失、光学ノイズの発生を改善することができる。また、該提案によれば、従来の光偏向素子と比較して、従来のスメクチックA液晶やネマチック液晶などを用いた場合の液晶の応答性の鈍さを改善することができ、高速応答を可能とすることができる。
【0020】
ところで、上述した光偏向素子の液晶層では、キラルスメクチックC相の螺旋軸に直角方向、すなわちスメクチック層の水平方向に電界を印加すると、液晶分子がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動すると考えられる。このとき、液晶層の螺旋ピッチや自発分極などの特性に応じて、同一方向に配向する液晶分子の割合が変化し、液晶分子の平均的配向方向に対応した液晶層の光学軸の傾斜方向が変化する。十分に大きな電界が印加された場合、各スメクチック層内の液晶分子の配向方向が揃って、螺旋が解けた状態となる。電界方向を反転させると液晶層の光学軸の傾斜方向も反転するため、動的な複屈折板として機能し、光偏向装置などに応用される。
【0021】
しかしながら、電界方向の反転により液晶分子が反転する際、配向状態の乱れによる過渡的な光の散乱現象が観測される。これは過渡光散乱(Transient-scattering mode:TSM)型電気光学効果と呼ばれ、発生の詳細な原因は明らかではないが、液晶分子が反転する際のコーン状仮想面内での回転方向の違いによりドメインが発生し、このドメイン界面で光散乱が生じると考えられる。従来では、このような過渡光散乱を生じる光偏向素子を利用して透明状態と光散乱状態の変化を表示装置に応用することも提案されている。
【0022】
この過渡光散乱は、液晶分子の反転が完全に終了すれば、均一ドメインとなり無くなるが、小さい光散乱強度で、短い散乱時間を好ましいとする光偏向装置として応用する場合には不適切である。
【0023】
本発明の目的は、液晶分子の反転運動に伴って発生する過渡散乱現象を抑制することである。
【0024】
本発明の目的は、透過率や光利用効率の低減を防止することである。
【0025】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明の光偏向装置は、透明な一対の基板と、前記基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相を形成可能な液晶層と、前記基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に電界を発生させる電界発生手段と、前記電界発生手段が発生させる電界方向を反転させる電界反転手段と、前記電界反転手段による電界方向の反転によりスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動して配向方向を反転する液晶層内の少なくとも一部の液晶分子の回転方向を同一方向に制御する回転方向制御手段と、を具備する。
【0026】
したがって、電界発生手段が基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に発生させる電界方向を電界反転手段によって反転させることにより、スメクチックC相を形成する強誘電性液晶分子がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動して配向方向が反転し、液晶層の層法線方向に対する光学軸の傾斜方向が切り換わって入射光に対する出射光路が切り換わる。ここで、電界方向の反転により液晶層内の少なくとも一部の液晶分子の配向方向がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動して反転する際に、回転方向制御手段によって、回転運動する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御して、液晶分子の回転方向を揃えることで、回転方向の違いによるドメインの発生を防止することができる。
【0027】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の光偏向装置において、前記回転方向制御手段は、前記電界反転手段による電界方向の反転に際して、前記電界発生手段が発生させる電界方向に直交する直交電界を発生させる。
【0028】
したがって、強誘電性液晶分子がコーン状の仮想面内を回転運動して反転する際に、電界発生手段が発生させる電界方向に直交する一方向に回転方向制御手段によって電界を発生させることにより、実際上、この回転方向制御手段が発生させる電界によって、回転運動する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御することができる。
【0029】
請求項3記載の発明は、請求項2記載の光偏向装置において、前記回転方向制御手段は、前記液晶層近傍に配置されて前記直交電界を発生させる直交電極対と、この直交電極対に電圧を印加する直交電圧印加手段とを有する。
【0030】
したがって、入射光に対する出射光路の切り換えに関わる有効領域となる液晶層の近傍に直交電極対を設けることで、電界発生手段が発生させる電界方向に直交する一方向の直交電界を比較的簡単な構成で発生させることができる。
【0031】
請求項4記載の発明は、請求項3記載の光偏向装置において、前記回転方向制御手段は、前記電界反転手段による電界方向の反転の直前に前記直交電圧印加手段による前記直交電界を発生させ、該電界方向の反転による液晶分子の配向方向の反転が終了する以前に前記直交電圧印加手段による前記直交電界の発生を終了させる。
【0032】
したがって、直交電圧印加手段によって直交電界を発生させてから電界反転手段によって電界方向を反転させることで、液晶分子の反転が開始する時点で液晶分子に対して回転方向を揃えるような電界を作用させて確実に液晶分子の回転方向を揃えるとともに、この電界方向の反転によって開始される液晶分子の配向方向の反転が終了する以前に直交電圧印加手段による直交電界の発生を終了させることで、一旦同一方向に回転運動を開始すれば不要となる直交電界の発生を速やかに終了させることができる。
【0033】
請求項5記載の発明の光偏向装置は、透明な一対の基板と、前記基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相を形成可能な第一の液晶層と、前記基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に電界を発生させる第一の電界発生手段と、前記第一の電界発生手段が発生させる電界方向を反転させる第一の電界反転手段と、を具備する第一の光偏向手段と、透明な一対の基板と、前記基板間に充填されてホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相を形成可能であり第一の液晶層の法線方向と略一致する法線方向を有する第二の液晶層と、前記基板面の法線方向、光偏向方向および前記第一の電界発生手段が発生させる電界方向に略直交する方向に電界を発生させる第二の電界発生手段と、前記第二の電界発生手段が発生させる電界方向を反転させる第二の電界反転手段と、を具備して前記第一の光偏光手段の近傍に配設される第二の光偏向手段と、前記第一、第二の光偏向手段間に配設されて前記第二の偏光手段への入射光の偏光面を前記第一の光偏向手段からの出射光に対して略直角に回転させる偏光面回転手段と、前記第一の電界反転手段による電界方向の反転タイミングに対して、前記第二の電界反転手段による電界方向の反転タイミングを異ならせるタイミング調整手段と、を具備する。
【0034】
したがって、第一、第二の電界発生手段が第一、第二の液晶において基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に発生させる電界方向を、第一、第二の電界反転手段によってそれぞれ反転させることにより、第一、第二の液晶における液晶分子の配向方向が反転し、液晶層の層法線方向に対する光学軸の傾斜方向がそれぞれ切り換わる。第一、第二の光偏向装置間には偏光面回転手段が配設されているため、第一または第二の光偏向手段からの出射光は、偏光面回転手段によって偏光面が略直角に回転されて第二または第一の光偏向手段に入射するので、光偏向装置への入射光に対する出射光路を2系統に切り換えることができる。また、第一、第二の光偏向装置は、ともに、偏向面回転手段の近傍に配設されているため、第一の電界反転手段による電界方向の反転タイミングに対する第二の電界反転手段による電界方向の反転タイミングをタイミング調整手段によって異ならせることで、第一、第二の液晶層に対して第一、第二の電界発生手段が発生させる電界方向に直交する一方向の電界を偏向面回転手段を介して作用させることができる。
【0035】
請求項6記載の発明の光偏向方法は、透明基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相を形成可能な液晶層に直線偏光の光を入射させ、前記基板面の法線方向および前記光偏向方向と略直交する方向に発生させる電界方向を反転させることにより入射光に対する出射光の偏向方向を切り換える光偏向方法において、電界方向の反転により液晶層内の少なくとも一部の液晶分子がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動して配向方向を反転する際に、反転する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御するようにした。
【0036】
したがって、電界方向の反転によりスメクチック相を形成する強誘電性液晶分子の配向方向がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動して反転する際に、回転運動する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御して、液晶分子の回転方向を揃えることで、回転方向の違いによるドメインの発生を防止することができる。
【0037】
請求項7記載の発明は、請求項6記載の光偏向方法において、前記基板面の法線方向および前記光偏向方向と略直交する方向に発生させる電界方向に直交する電界を発生させることにより、液晶分子の回転方向を同一方向に制御するようにした。
【0038】
したがって、強誘電性液晶分子がコーン状の仮想面内を回転運動して反転させる際に、基板面の法線方向および光偏向方向と略直交する方向に発生させる電界方向に直交する電界を発生させることにより、回転運動する各液晶分子の回転方向を実際上確実に同一方向に制御することができる。
【0039】
請求項8記載の発明の画像表示装置は、画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列される画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する照明手段と、前記画像表示素子が表示する画像パターンを観察するための光学装置と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド単位で前記画像表示素子を駆動する表示駆動手段と、前記画像表示素子の各画素からの出射光の光路を前記サブフィールド毎に偏向する請求項1ないし5のいずれか一に記載の光偏向装置と、を具備する。
【0040】
したがって、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド単位で画像表示素子が表示する画像を照明手段によって照明することにより各画素から出射される出射光の光路は、光偏向装置によってサブフィールド毎に偏向されて、光学装置によって観察される画像パターンを実際の画素数よりも見掛け上増倍される。また、請求項1ないし5のいずれか一に記載の光偏向装置を用いることで、過渡散乱現象が低減され、透過率やMTFの低下が抑制される。
【0041】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態について図1ないし図6を参照して説明する。本実施の形態は、光偏向装置への適用例を示す。
【0042】
図1は、本実施の形態の光偏向装置を示す縦断面図である。本実施の形態の光偏向装置は、光偏向素子1と、光偏向素子1が備える電極対4(後述)に対して電圧を印加する電源2(図2参照)とを備えている。電源2は、図示しない制御系によって駆動制御されて、目的とする光の偏向方向に対応して電界方向が切り換わるように、印加方向が周期的に切り換わる矩形波形状を有する交流電圧を印加する。ここに、電極対4および電源2によって電界発生手段が実現されている。また、電源2によって電界反転手段が実現されている。
【0043】
光偏向素子1は、対向配置される一対の透明な基板3を備えている。透明な基板3としては、ガラス、石英、プラスチックなどを用いることができ、複屈折性の無い透明材料が好ましい。基板3の厚さは、数十μm〜数mmの範囲内に設定されている。
【0044】
一対の基板3間には、一対の基板3間の間隔を規定するスペーサーと、後述する液晶層に電界を発生させる一対の電極とを共通化する金属シート部材4が設けられている。本実施の形態では、一対の金属シート部材4によって電極対が実現されている。以降、金属シート部材を電極または電極対とし、符号4を付して説明する。スペーサーとしては、数μmから数mm程度の厚さのシート部材、あるいは、数μmから数mm程度の粒径の粒子などが用いられる。スペーサーは、素子の有効領域外に設けられることが好ましい。電極としては、アルミ、銅、クロムなどの金属、ITOなどの透明電極などを用いることが可能であり、後述する液晶層5内に均一な水平電界を印加するためには、液晶層5の厚さと同程度の厚さを持つ金属シートを用いることが好ましい。電極4は、液晶による光偏向動作に関わる領域である有効領域外に設けられている。
【0045】
本実施の形態では、より好ましい実施の形態として、スペーサーと電極とが金属シート部材によって共通化されているため、部品点数の小型化や製造の容易化を図ることができる。
【0046】
一対の基板3間であるとともに電極4間となる位置には、液晶層5が設けられている。液晶層5としては、スメクチックC相を形成可能な液晶が用いられる。
電源によって電極4間に電圧が印加されることにより、液晶層5の水平方向に電界が発生する。
【0047】
また、一対の基板3の互いに対向する面(内側面)には、基板3表面に対して液晶分子5a(図2参照)を垂直配向(ホメオトロピック配向)させる垂直配向膜6がそれぞれ設けられている。垂直配向膜6は、基板3表面に対して液晶分子5aをホメオトロピック配向させる材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、一般的な液晶ディスプレイに用いられる垂直配向剤やシランカップリング剤、SiO蒸着膜などを用いることができる。
【0048】
なお、本発明における「垂直配向(ホメオトロピック配向)」とは、基板3の基板面対して液晶分子5aが厳密に垂直に配向した状態に限るものではなく、基板面に対して液晶分子5aが数十度程度までチルトした配向状態も含む。
【0049】
ここで、スメクチックC相を形成可能な液晶層5について詳細に説明する。「スメクチック液晶」は、液晶分子の長軸方向を層状(スメクチック層)に配列してなる液晶層である。このような液晶に関し、上記層の法線方向(層法線方向)と液晶分子の長軸方向とが一致している液晶を「スメクチックA相」、法線方向と一致していない液晶を「スメクチックC相」と呼んでいる。スメクチックC相よりなる強誘電液晶は、一般的に外部電界が働かない状態においてスメクチック層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、「キラルスメクチックC相」と呼ばれる。また、キラルスメクチックC相反強誘電液晶は各層毎に液晶ダイレクタが対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックC相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Psと外部電界Eにより定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。
【0050】
なお、本実施の形態では、液晶層5として強誘電液晶を例にとり光偏向素子1の説明を行うが、これに限るものではなく、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。
【0051】
キラルスメクチックC相は、スメクチックA相やネマチック液晶に比較して極めて高速な応答性を有しており、サブmsでのスイッチングが可能である点が特徴である。特に、電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、スメクチックA相よりなる液晶に比べダイレクタ方向の制御が容易であり、扱いやすい。
【0052】
ホメオロトピック配向をなすスメクチックC相よりなる液晶層は、ホモジニアス配向(液晶ダイレクタが基板面に平行に配向している状態)をとる場合に比べて、液晶ダイレクタの動作が基板からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の制御が行いやすく、必要電界が低いという利点を有する。また、液晶ダイレクタがホモジニアス配向している場合、電界方向だけでなく基板面に液晶ダイレクタが強く依存するため、光偏向素子の設置についてより位置精度が求められることになる。逆に、本実施の形態のようなホメオロトピック配向の場合は、光偏向に対して光偏向素子1のセッティング余裕度が増す。これらの特徴を活かす上で、厳密に螺旋軸を基板面に垂直に向ける必要はなく、ある程度傾いていても差し支えない。液晶ダイレクタが基板からの規制力を受けずに2つの方向を向くことが可能であればよい。
【0053】
ここで、光偏向素子1の動作原理について図2ないし図5を参照して説明する。図2は、光偏向素子1の液晶層5における電界方向と液晶分子5aの傾斜方向との関係を示す模式図である。図2中、液晶分子5aの幅が広く描いてある側が紙面表(手前)側、幅が狭く描かれている側が紙面裏(奥)側に傾いている様子を示しており、自発分極が正の場合についての電界方向と液晶分子のチルト方向の関係が示されている。図2中、液晶分子5aの自発分極方向を矢印Ps(図2中PS)で示してある。
【0054】
図2(a)および図3(a)に示す状態から電界方向を反転させると、図2(b)および図3(b)に示すように、略垂直配向した液晶分子5aのチルト角の方向が反転する。ここで、チルト角の方向が反転する際には、図3(a)に示すように、液晶分子5aの一端が仮想的なコーン状の面(仮想コーン面)C内を回転運動すると考えられる。
【0055】
ここで、図4は、液晶分子5aの一端が仮想的なコーン状の面C内を回転運動する様子を二次元的に説明する模式図である。図4では、紙面表裏方向に電圧が印加されるものとし、これにより紙面表裏方向に電界が作用するものとして説明する。また、光偏向素子1に対して入射する入射光は直線偏光であるものとする。なお、図4中、垂直配向膜6、スペーサーおよび電極を兼用する金属シート部材は省略して説明する。図4(a)に示すように、電極4間に紙面裏側から手前側へ向かう電界を発生させた場合、液晶分子5aの自発分極が正ならば、液晶ダイレクタが図4中右上方向に傾斜する液晶分子5aの数が増加するので、液晶層5としての平均的な光学軸も図4中右上方向に傾斜する。ここに、液晶層5は、複屈折板として機能する。
【0056】
キラルスメクチックC相の螺旋構造が解ける閾値電界以上では、図4(a)に示すように、すべての液晶ダイレクタがチルト角θを示すため、本実施の形態の光偏向素子1は、電極4間に紙面裏側から手前側へ向かう電界を発生させた場合に光学軸が上側に角度θで傾斜した複屈折板となる。この状態で、図4中左側から異常光として入射した直線偏光は、図4(a)中Aに示す光路をとり、入射光の入射位置に対して上側に平行シフトされる。
【0057】
ここで、液晶分子5aの長軸方向の屈折率をne、短軸方向の屈折率をno、液晶層5の厚み(ギャップ)をdとすると、入射光の入射位置に対する出射光の出射位置のずれ量であるシフト量Sは、以下の式で表される(例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、p198参照)。

Figure 0003943450
【0058】
同様に、図4(b)に示すように、電極4間に印加する電圧方向を反転させて、紙面表側から紙面奥側へ向かう電界を発生させた場合、液晶分子5aの自発分極が正ならば、液晶ダイレクタが図4中右下方向に傾斜する液晶分子5aの数が増加し、液晶層としての平均的な光学軸も図4中下側に角度θで傾斜する。ここに、液晶層5は、角度θで傾斜する複屈折板として機能する。
【0059】
この状態で、図4中左側から異常光として入射した直線偏光は、図4(b)中Bに示す光路をとり、入射光の入射位置に対して下側に平行シフトされる。
【0060】
光偏向素子1では、このように電界方向を反転させることにより、2S分の光偏向量(シフト量)を得ることができる。
【0061】
ところで、液晶分子5aが反転して再配向した後の安定状態について図2ないし図4を参照して説明したが、液晶分子5aの配向状態は、液晶分子5aの配向方向が反転する過程で大きく乱れる。この液晶分子5aの配向状態の乱れにより、配向状態の乱れによる過渡的な光の散乱現象が観測される過渡光散乱が発生する。
【0062】
ここで、過渡光散乱について図5を参照して説明する。図5は、図2と同様に、光偏向素子内の液晶分子の傾斜状態を示した模式図である。キラルスメクチックC相の螺旋構造が解ける閾値電界以上では、図5(a)に示すように、液晶分子5aは均一に配向している。
【0063】
この状態から液晶の応答時間よりも短時間で印加電界を反転させると、液晶分子5aはコーン状の仮想面C内に沿って反転し始める(図2および図3参照)。このとき、液晶層5では、図5(b)に示すように、液晶分子5aが右回りに回転する領域Rと、液晶分子5aが左回りに回転し始める領域Lとが発生すると推測される。上述した過渡光散乱は、この回転方向の異なるドメイン間の界面Sで強く生じると考えられる。
【0064】
この過渡光散乱は、図5(c)に示すように、図5(a)に対する液晶分子5aの反転が終了し、液晶分子5aが均一に傾斜した状態に再配向すると消滅する。
【0065】
すなわち、上記の過渡光散乱を低減させるためには、電界方向の反転により液晶層5内の少なくとも一部の液晶分子5aがスメクチック層内でコーン状の仮想面C内を回転運動して配向方向を反転する際に、図5(d)に示すように、反転する各液晶分子5aの回転方向を同一方向に制御することが効果的であると推測される。
【0066】
本実施の形態では、垂直配向膜6に対して、図6中矢印fで示す方向、すなわち、電界方向に略平行に設定したラビング処理を施すことにより、液晶層5自体の配向方向に指向性を与え、液晶分子5aの回転方向を同一方向に制御するようにした。ここに、ラビング処理された垂直配向膜6によって回転方向制御手段が実現されている。
【0067】
これにより、液晶分子5aの回転開始に際して、液晶分子5aがラビング方向に回転し始める確率が高くなり、液晶分子5aの回転方向を制御することができる。なお、ラビング方向は、光偏向方向、すなわち、定常状態での光学軸の傾斜方向と異なればよく、図6に示すような基板面に略垂直方向に限定されるものではない。
【0068】
本実施の形態のように、垂直配向膜6にラビング処理を施すことにより液晶層5自体の配向方向に指向性を与えて液晶分子5aの回転方向を同一方向に制御する方法では、安定な傾斜方向が一方向のみに設定されるので、液晶分子5aの反転時の回転運動は、常に安定な傾斜方向を経由する往復運動となる。
【0069】
なお、本実施の形態では、電極4の配置位置と液晶層5に対する電圧の印加状態を改良して液晶分子5aの配向状態を制御可能としたものであるが、透明な基板3、垂直配向膜6、液晶層5、スペーサーおよび電極4(本実施の形態では金属シート部材により兼用)は、従来の光偏向素子と同様の構成を用いることができる。
【0070】
次に、本発明の第二の実施の形態について図7を参照して説明する。本実施の形態では、液晶層5中にポリマーネットワークを形成することにより液晶層5自体の配向方向に指向性を与え、液晶分子5aの回転方向を同一方向に制御するようにした。
【0071】
図7(a)は、本実施の形態の光偏向素子を示す水平断面図である。本実施の形態の光偏向素子は、図2に示すように、液晶層5中に含有されたポリマー鎖8によってポリマーネットワークが形成されている。液晶層5中におけるポリマーネットワークは、紫外線や熱などにより反応する重合性モノマーやプレポリマーを液晶中に添加しておき、液晶層5に水平電界を印加して液晶分子5aを均一に傾斜させた状態で重合性モノマーの重合反応を行わせることにより形成する。重合性モノマーやプレポリマーの重合反応に際しては、一時的に外部電極などを設置するなどして、通常動作時の電界方向と異なる方向に電界を発生させることで、液晶分子5aの安定な傾斜方向を、光偏向方向と異なる方向に設定する。これにより、液晶層5中に指向性を有するポリマーネットワークが形成され、ポリマースタビライズ液晶層を形成することができる。
【0072】
本実施の形態のポリマー鎖8は、液晶層5中にモノマーやプレポリマーを含有させた状態で液晶層5に対して一時的に外部電界を発生させることで、液晶層5中における液晶分子5aが図7(a)中右側に傾斜した状態でモノマーやプレポリマーを重合させることにより形成されている。なお、図7(a)に示す状態は、ポリマー鎖8を形成した後の液晶層5に対して、図7(a)中左方向に電界が発生している状態を示す。
【0073】
ポリマー鎖8を形成するモノマーやプレポリマーは、光(紫外線)重合性であっても熱重合(硬化)性であってもよいが、例えば、光重合性のモノマーやプレポリマーを用いてポリマー鎖を形成する場合には、図7(a)中左右方向の直線偏光を照射しても良い。
【0074】
このような光偏向素子7の電極4間に電圧を印加して液晶層5中に電界を発生させると、液晶層5中の液晶分子5aは、図7(b)に示すように、垂直配向状態をとる。このとき、ポリマー鎖8は、図7(b)に示すように、垂直配向状態にある液晶分子5aの長軸方向に対して斜めに伸びた状態になっていると推測される。
【0075】
ここで、垂直配向状態にある液晶分子5aの長軸方向に対してポリマー鎖8が斜めに伸びた状態であっても、ポリマー鎖5による配向規制力に比べて、電極4間に電圧を印加して液晶層5中に発生させた電界による駆動力の方が十分に大きい場合、液晶分子5aは(b)のようにポリマー鎖の影響を受けずに(a)のように配向する。
【0076】
一方、電界方向の切換えに際して、液晶層5中に発生する電界の影響が小さくなると、ポリマー鎖8による配向規制力が強くなる。そして、液晶層5中に発生する電界の影響よりもポリマー鎖8による配向規制力が強くなった瞬間、液晶分子5aは、図7(c)に示すように、ポリマー鎖8によって図7(c)中左方向に回転する。回転方向を制御することができる。すなわち、液晶層5中にポリマーネットワークを形成することにより、液晶分子5aの回転し易さに非対称性が生じるため、液晶分子5aが回転し始める方向を同一方向に制御することができる。ここに、ポリマーネットワークによって回転方向制御手段が実現されている。
【0077】
なお、ポリマーネットワークは、主鎖や側鎖に液晶性の構造を有するポリマー鎖8によって形成しても良い。
【0078】
液晶層中にポリマーネットワークを形成する方法では、ポリマーの添加量や材質を最適化することで、光偏向方向がずれてしまうことや応答時間が長くなるという副作用を低減することができる。
【0079】
本実施の形態のように、液晶層5中にポリマースタビライズを形成することにより液晶層5自体の配向方向に指向性を与えて液晶分子5aの回転方向を同一方向に制御する方法では、安定な傾斜方向が一方向のみに設定されるので、液晶分子5aの反転時の回転運動は、常に安定な傾斜方向を経由する往復運動となる。
【0080】
次に、本発明の第三の実施の形態について図7および図8を参照して説明する。
本実施の形態では、液晶分子5aの反転時に、通常の電界方向に直交した電界成分を与えることにより、液晶分子5aの回転方向を同一方向に制御するものである。
【0081】
図8は、本実施の形態の光偏向装置の光偏向素子を示す斜視図である。本実施の形態の光偏向装置の光偏向素子10は、第一の実施の形態の光偏向素子1とほぼ同様の構成を有しており、第一の実施の形態の光偏向素子1の垂直配向膜6へのラビング処理に代えて、電極4間に発生する電界方向に対して直交する方向に電界を発生させる一対の直交電極11によって形成される直交電極対を備えている。直交電極11は、電極4側の端部が、それぞれ電極4から離間するように配置されている。
【0082】
また、本実施の形態の光偏向装置は、液晶層5近傍に配置された直交電極11と、直交電極11間に電圧を印加する図示しない第二の電源とを備えている。第二の電源は、電界方向の反転に際して、電源2によって電極4間に印加する電圧方向を反転させる直前に動作を開始し、動作を開始してから液晶分子5aの応答時間が経過する以前に動作を終了するように図示しない制御系によって駆動制御される。
【0083】
電極4間に発生させる電界方向を反転する直前に直交電極対に電圧を印加することにより、液晶層5中には、図9(a)中斜め下向きの矢印efで示す電界が発生するので、液晶分子5aは反時計回りに回転し始める。
【0084】
この状態で電極4間に印加する電圧方向を反転させて電極4間に発生する電界方向を反転させると、液晶分子5aは反時計回りに回転し続けて反転する。
【0085】
ここに、直交電界を発生させてから基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に発生させる電界方向を反転させることで、電界方向の反転による液晶分子5aの反転が開始する時点で、液晶分子5aに対して回転方向を揃えるような電界を作用させて、確実に液晶分子の回転方向を揃えることができる。ここに、回転方向制御手段が実現されている。
【0086】
これによって、液晶配向方向の反転に伴って発生する過渡散乱を防止して透過率や光利用効率の向上を図るとともに、実効的な切り換え時間を短くして光偏向方向の切り換えの高速化を図ることができる。
【0087】
また、本実施の形態では、光偏向素子10における有効領域外に設けた一対の直交電極11によって直交電界を発生させているため、比較的簡単な構成で、過渡散乱現象を低減し、透過率や光利用効率の向上を図ることができる。
【0088】
本実施の形態によれば、基板面の法線方向および光偏向方向に直交する電界成分の向きや大きさや印加タイミングを制御することにより、液晶分子5aの回転方向を確実に同一方向に制御することができる。
【0089】
また、本実施の形態によれば、液晶分子5aの回転運動を往復運動のように制御することも、一方向へ連続して回転運動するように制御することもできる。
【0090】
ところで、直交電極11間に電圧を印加し続けると、この直交電界の作用によって、図9(b)中斜め下向きの矢印efで示すように、電極4間に発生する電界が基板面に直交する方向からずれた状態となる。これにより、液晶分子の傾斜方向が、本来目的とする角度に対して僅かにズレてしまい、光偏向方向も僅かにズレてしまう。
【0091】
本実施の形態では、第二の電源による電圧の印加を開始してから液晶分子5aの応答時間が経過する以前に動作を終了するので、液晶分子5aの配向方向の反転が終了する時点においては、光偏向位置を変化させてしまう要因となる直交電界が発生していない。
【0092】
ここに、電界方向の反転によって開始される液晶分子5aの配向方向の反転が終了する以前に、直交電界の発生を終了させることで、一旦同一方向に回転運動を開始すれば不要となる直交電界の発生を速やかに終了させ、光偏向位置を正確に制御して、光偏向位置の精度が良い光偏向装置を提供することができる。
【0093】
加えて、直交電極11の配設位置は、光偏向素子10の有効領域外であって、かつ液晶層5の近傍であるとともに、電極対に対して過剰に接近しない位置であることが好ましい。本実施の形態では、光偏向素子10における光偏向に関わる部分を有効領域とする。電極4と直交電極11とが接近している場合、電極4間に電位差を発生させても、直交電極11が等電位になってしまうので、直交電極11の近傍では所望の電位差すなわち電界分布を得ることが困難になる。
【0094】
これに対し、本実施の形態では、直交電極11の電極4側の端部を、それぞれ電極4から離間させて配置しているため、直交電極11の近傍においても目的とする方向に電界を発生させることができる。
【0095】
なお、本実施の形態では、一対の直交電極11としたが、これに限るものではなく、例えば、図10に示すように、分割された複数対の直交電極11としてもよい。
【0096】
また、本実施の形態では、基板3の面方向に沿って液晶層5を介して対向する一対の直交電極11としたが、これに限るものではなく、例えば、図11に示すように、一対の基板3および液晶層5を介して基板3の面方向に対して斜め方向に設けるようにしてもよい。これによって、直交電極11に電圧を印加すると図11中矢印tで示すように、基板面の法線方向および光偏向方向に直交し、基板3の面方向に対して斜め方向に作用する電界が発生する。電極4と直交電極11との間に基板3などを挟んでそれぞれの距離を離すことで、直交電極11に電界を印加しない状態、すなわち、液晶分子5aの回転が終了した後の液晶層5内水平方向の電界分布に対する直交電極11の影響を少なくすることができる。
【0097】
上述したように、直交電極を分割したり、直交電極11間に基板3などの誘電体を挟んだりすることで、直交電極11による等電位部が広がることを防止できる。
【0098】
加えて、本実施の形態では、一対の電極4によって基板面の法線方向および光偏向方向に直交する電界を発生させるようにしたが、例えば、図12に示すように、基板面の法線方向および光偏向方向に直交する電界を発生させる光偏向用の電極が透明ライン電極群4xからなる場合、両基板3の透明ライン電極群4xの上に誘電体層13を形成し、この誘電体層13で直交電極11を挟むように形成する。この構成とすることにより、透明ライン電極群4xによる電界と直交電極11による電界との相互作用を低減することができる。
【0099】
次に、本発明の第四の実施の形態について図13を参照して説明する。本実施の形態は、2系統での光偏向が可能な光偏向装置への適用例を示す。
【0100】
図13(a)は本実施の形態の光偏向装置を示す斜視図であり、図13(b)はその分解斜視図である。本実施の形態の光偏向装置は、図1に示す光偏向素子1と同様の構成を有する2つの光偏向素子20(20a,20b)と、2つの光偏向素子20間に設けられて入射光の偏光面を略直角に回転させる偏向面回転手段としての偏光面回転板21と、を備えている。
【0101】
偏光面回転板21としては、例えば、半波長板や電極を持たないツイストネマチック液晶セル、ツイストネマチック液晶を固定化したフィルムなどを用いることができる。
【0102】
光偏向装置における2つの光偏向素子20a,20bは、偏光面回転板21を介して、光偏向素子(第一の光偏光手段)20aが有する液晶層(第一の液晶層)5Aの法線方向と光偏向素子(第二の光偏光手段)20bが有する液晶層(第二の液晶層)5Bの法線方向とが略一致するように配置されている。また、光偏向装置における2つの光偏向素子20a,20bは、光偏向素子20aが有する電極4a間に発生する電界方向と、光偏向素子20bが有する電極4b間に発生する電界方向とが略直交するように配置されている。
【0103】
光偏向素子20a,20bが有する各電極対4a,4bには、これらの電極対4a,4bに電圧を印加する図示しない電源が接続されている。本実施の形態では、対をなす電極4aおよび4bのうちの一方電極4a,4bが、矩形波交流電源に接続されている。電源は、図示しない制御系によって駆動制御され、電極4a間に発生させる電界方向の反転タイミングに対して、電極4b間に発生させる電界方向の反転タイミングが異なるように、各電極対4a,4bに対する電圧印加のタイミングを制御する。ここに、図示しない電源および電極4aおよび4bによって第一の電界発生手段および第二の電界発生手段が実現されている。本実施の形態では、図14に示すタイミングとなるように、各電極対4a,4bに対する電圧印加のタイミングを制御する。すなわち、電極4aに印加する電圧の極性と電極4bに印加する電圧の極性とが完全に反転することのないように、電極4aに印加する電圧と電極4bに印加する電圧とが同一極性となるようにタイミング設定されている。本実施の形態では、電極4aに印加する電圧の極性の反転周期に対して、電極4bに印加する電圧の極性の反転周期が1/4周期ずれるように設定されている。ここに、タイミング調整手段が実現される。
【0104】
なお、図14に示すようなパターンで電圧を印加する場合、印加電圧値や基板3の厚さなどは、一方の光偏向素子20aまたは20bで発生する電界が他方の光偏向素子20bまたは20aの偏向方向に影響が少ないように設定されている。
【0105】
このような構成において、電極4a,4b間に発生させる基板面法線方向および光偏向方向に略直交する方向に発生させる電界方向をそれぞれ反転させることにより、各液晶層5A,5Bにおける液晶分子5aの配向方向が反転し、液晶層5の層法線方向に対する光学軸の傾斜方向がそれぞれ切り換わる。
【0106】
このとき、光偏向素子20a,20b間に配設された偏光面回転板21によって、光偏向素子20aからの出射光の偏光面が略直角に回転されて光偏向素子20bに入射するため、光偏向装置への入射光に対する出射光路を、紙面水平方向(図13中Y方向)および紙面垂直方向(図13中X方向)の2系統で切り換えることができる。これにより、例えば、光偏向装置の光偏向素子20bから出射される光をスクリーン22等に照射する場合、X方向への2方向とY方向への2方向との組み合わせることにより、図15(a)ないし(d)に示すように、照明領域Pが略四角形の四隅を順次移動して回転するように光路をシフトすることができる。
【0107】
また、本実施の形態では、偏光面回転板21を介して2つの光偏向素子20a,20bを近接して配設するとともに各電極対に対する電圧印加のタイミングを図14に示すように制御することにより、2つの光偏向素子20a,20bの位置関係を利用して、新たな電極対を設けること無く、一方の電極4aまたは4b間に発生する電界方向を他方の電極4bまたは4a間に発生する電界方向に直交する電界として作用させることができ、一方の電極4aまたは4b間に発生する電界によって、他方の電極4bまたは4a間に発生する電界方向の反転による回転運動する各液晶分子5aの回転方向を同一方向に制御して、液晶分子5aの回転方向を揃えることができる。ここに、回転方向制御手段が実現されている。
【0108】
これによって、2系統での光偏向が可能な光偏向装置で、専用の電極を設けることなく、電界方向の切り換えに際して回転する液晶分子5aの回転方向の違いによるドメインの発生を防止して、液晶分子5aの反転運動に伴って発生する過渡散乱現象を最小限に抑え、透過率や光利用効率の低減を防止することができる。
【0109】
次に、本発明の第五の実施の形態について図16を参照して説明する。本実施の形態は、第四の実施の形態と比較して、2つの電極対に印加する電圧の波形が異なっており、一方の光偏向素子における電界方向の反転タイミングに合わせて、他方の光偏向素子からの漏れ電界を積極的に利用する。
【0110】
本実施の形態では、図16に示すように、一方の光偏向素子20aまたは20bの電界反転時刻の前後の期間のみ、他方の光偏向素子20bまたは20aの印加電圧値を一時的に大きくした電圧を印加する。
【0111】
このような波形の電圧を印加することにより、一方の光偏向素子20aまたは20bにおける電界方向の反転に際して発生する漏れ電界を大きくし、他方の光偏向素子20bまたは20aに対して光偏向方向に垂直な電界成分を効果的に作用させることができる。
【0112】
なお、図16に示すように、一時的に高くする電圧値や、一時的に高くする電圧の印加時間などは、液晶材料や基板厚みなどの素子構成に応じて最適化する。
【0113】
本発明の第六の実施の形態について図17を参照して説明する。本実施の形態は、画像表示装置への適用例を示す。
【0114】
図17は、本実施の形態の画像表示装置を示す概略図である。本実施の形態の画像表示装置30は、図17に示すように、光を照射する照明手段としての光源31を備えている。本実施の形態の光源31は、LEDランプを二次元アレイ状に配列した構成を有している。
【0115】
この光源31からスクリーン32に向けて発せられる光の光路上には、光の進行方向に沿って順に配設された拡散板33、コンデンサレンズ34、画像表示素子としての透過型液晶パネル35、画像パターンを観察するための光学装置としての投射レンズ36が設けられている。光源31から出射する光のON/OFFは、光源ドライブ部37によって駆動制御される。透過型液晶パネル35は、表示駆動手段としての液晶ドライブ部38によって駆動制御され、光源31から出射する光を画像情報にしたがって制御可能な複数の画素が二次元的に配列された構成を有している。本実施の形態の透過型液晶パネル35は光源31からの照明光を空間光変調し、液晶ドライブ部38は画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド単位で透過型液晶パネル35を駆動する。
【0116】
透過型液晶パネル35と投射レンズ36との間の光路上には、ピクセルシフト素子として機能する光偏向装置39が介在されている。光偏向装置39は、上述したいずれの実施の形態の光偏向装置を用いてもよい。本実施の形態の光偏向装置39は、第六の実施の形態の光偏向装置と同様の構成を有する。光偏向装置39は、偏向ドライブ部40に接続されており、透過型液晶パネル35を介して出射される画像光路を偏向する。偏向ドライブ部40は、透過型液晶パネル35を介して出射される画像光路をサブフィールド毎に偏向するように光偏向装置39を駆動制御する。本実施の形態では、光偏向装置39によるシフト量が、透過型液晶パネル35における画素ピッチの1/2に設定されている。
【0117】
このような構成において、光源ドライブ部37で制御されて光源31から放出された照明光は、拡散板33により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ34を介して透過型液晶パネル35をクリティカル照明する。透過型液晶パネル35は、液晶ドライブ部38によって駆動制御されて、光源31からの照明光をサブフィールド単位で空間光変調する。
【0118】
透過型液晶パネル35で空間光変調された照明光は、画像光として光偏向装置39に入射する。光偏向装置39は、偏向ドライブ部40によって駆動制御されて、スクリーン32に投射される画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされるように、画像光を偏向させる。偏向された画像光は、投射レンズ36で拡大されスクリーン32上に投射される。
【0119】
本実施の形態の光偏向装置39は、上述の実施の形態で説明したように、投射光路をX方向とY方向との2系統で偏向させることができるため、透過型液晶パネル35によるサブフィールド単位での空間光変調タイミングと、照明領域Pが略四角形の四隅(図15(a)ないし(d)参照)を順次移動して回転するように光路をシフトさせるタイミングとを同期させることで、スクリーン32上に表示される表示画像の画素数を見掛け上4倍に増倍することができる。これによって、透過型液晶パネル35の画素数を実際に像倍することなく高精細な画像を表示することができる。
【0120】
ここで、本実施の形態では、光偏向装置39を用いることにより、光の利用効率を向上させることができるので、光源31の負荷を増加することなく明るく高品質の画像を提供できる。
【0121】
また、本実施の形態では、光偏向装置39を用いることにより、光偏向装置39における光偏向位置を、電極4a,4b間に発生させる電界方向および電界強度を調整することで制御することができるので、適切なピクセルシフト量を保持し、良好な画像を得ることができる。
【0122】
特に、本実施の形態では、光偏向装置39を用いることにより、光偏向動作の切り換え時に発生する過渡光散乱を低減できるので、透過率やMTFの低下を抑制することができる。このように、偏向方向の切り換えに際して過渡光散乱を抑制することにより、従来は散乱していた光を画像光として表示に利用できる時間を長くすることができ、これによっても光の利用効率を向上させることができる。
【0123】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。実施例では、以下に説明するような光偏向素子を作製し、作製した光偏向素子の光学軸を観察し、過渡光散乱を測定し、高速度カメラによる光路シフト現象を観察した。
【0124】
(光偏向素子の作製)
まず、光偏向素子10の作製について説明する。実施例として、厚さ0.6μmの垂直(ホメオトロピック)配向膜を形成した厚さ1mmのガラス基板の表面に、厚さ60μm、幅0.5mm、長さ12mmのアルミ電極シートをスペーサー兼電極として設け、有効領域が約1cm幅となるように平行に配置することで電極対4を形成し、この電極対4と同様なアルミ電極シートを第一の電極対に直交するよう2cm間隔で配置して直交電極対11を形成して、図16に示すような電極配置を有するセルを作製した。
【0125】
このセルを約90度に加熱した状態で、基板3間の空間に強誘電性液晶(チッソ製CS1029:複屈折Δn=0.16、チルト角θ=25度、自発分極Ps=−40nC/cm)を毛管法にて注入し、冷却後に接着剤で封止することで、液晶層5の厚さ60μm、有効面積1cm角の光偏向素子10を作製した。
【0126】
この光偏向素子10の電極対4および直交電極対11にパルスジェネレータと高速アンプとからなる電源50,51を接続し、光偏向装置52を得た。
【0127】
(光学軸の観察)
次に、光学軸の観察について説明する。無電界の状態で、この光偏向素子10の有効領域内の液晶層のコノスコープ像を観察したところ、十字と円環の画像が中心部に観察された。これにより、無電界下では光学軸が液晶層5に垂直であることを確認できる。この状態では液晶分子5aのチルト方向が基板3面に垂直方向に対して回転する螺旋構造をとっており、平均的な光学軸は螺旋軸の方向である基板3面に垂直な方向に観察される。
【0128】
続いて、電源50から電極対4に±2000V、1Hzの矩形波電圧を印加した。このとき、コノスコープ像の十字と円環の位置が上下方向に1Hzで往復シフトした。公知の技術であるため説明を省略するが、顕微鏡の対物レンズのNA値と液晶の屈折率と十字位置のシフト量とから光学軸の傾斜角度を計算すると、約25度であることが判る。これにより、光学軸の傾斜角度が、該液晶材料固有のチルト角θと一致していることが確かめられた。液晶分子5aの螺旋構造は、電極4間に200V/mm程度の電界強度を発生させることにより解けて液晶分子5aが一様な方向に配向し、液晶層5の光学軸の方向が±25度で切り換え可能であった。
【0129】
(過渡光散乱の測定)
次に、過渡光散乱の測定について説明する。図17に示す測定装置60を用いて、図16の光偏向素子10の過渡光散乱の時間の強度を測定した。測定装置60は、He−Neレーザを出射する図示しない光源と、光源から出射されるHe−Neレーザの偏光面を回転する偏光面回転板61と、レーザ光の偏光面を回転するクロスニコルの偏光板62と、クロスニコルの偏光板62から出射される光の強度と時間とを検出するフォトディテクタ63とを有している。測定に際しては、偏光面回転板61とクロスニコルの偏光板62との間に図16に示す光偏向素子10をセットする。図16に示す光偏向素子10は、光偏向素子10による偏向方向が入射光の偏光方向と一致するようにセットされる。
【0130】
測定装置60では、光源から出射されるレーザ光を偏光面回転板61を通して光偏向素子10に入射させると、光偏向素子10が有する液晶層5内の液晶分子5aが均一に配向している状態では、光路シフト現象は生じるが偏光面の回転や乱れは生じないため、クロスニコルの偏光板62を透過する光はない。すなわち、フォトディテクタ63によって検出される光はない。
【0131】
一方、光偏向素子10が有する液晶層5中に過渡光散乱が発生している状態では、液晶分子5aの配向方向が乱れているため偏光面が乱れる。このため、偏光面が回転された光が発生し、クロスニコルの偏光板62を漏れて出てくる光が生じる。この漏れて出てきた光の強度と時間とが、フォトディテクタ63によって検出され、過渡光散乱の強度や時間が測定することができる。
【0132】
上述した測定装置60を用いて、電源50から電極対4に±2000V,100Hzの矩形波電圧を印加し、この矩形波電圧の極性の切り換え時刻から±0.25msecの期間に同期して電源51から直交電極対11に+4000V,パルス幅0.5msecのパルス状電圧を印加しながら漏れて出てきた光の強度と時間とを測定したところ、過渡光散乱による漏れ光の検出電圧は0.1mV、漏れ光の検出時間は1msecであった。
【0133】
(高速度カメラによる光路シフト現象の観察)
次に、高速度カメラによる光路シフト現象の観察について説明する。開口部が4μm角の図示しないマスクパターンを裏面から照明し、マスクパターンを透過する透過光を図16に示す光偏向素子10を通して観察した。このとき、電源50から電極対4に電圧を印加することで光偏向素子10を動作させることでマスクパターンの位置がシフトしたように観察されるので、このシフトの様子を顕微鏡付き高速度カメラで観察することで、光路シフト量とその応答時間を測定した。
【0134】
具体的に、電源50から電極対4に±2000V,100Hzの矩形波電圧を印加し、この矩形波電圧の極性の切り換え時刻から±0.25msecの期間に同期して、電源51から直交電極対11に+4000V,パルス幅0.5msecのパルス状電圧を印加しながら、高速度カメラによる観察(時間分解能40500フレーム/秒)を行ったところ、シフト量は9μm、その移動に要する応答時間は1msecであった。このとき、開口部を透過して観察される開口パターンH(図20参照)の移動の様子は、僅かに円弧を描くように比較的はっきりと移動していることが観察された。これは、液晶分子5aが反転するときの回転方向が揃っていること表していると考えられる。
【0135】
また、1msecという応答時間は、僅かな過渡光散乱時間と同一であり、液晶分子5aの反転時に不必要配向乱れが発生していないと考えられる。したがって、過渡光散乱の少ない光偏向装置が得られたことが判る。
【0136】
続いて、上述した実施例に対する比較例について説明する。比較例は、直交電極対11および電源51を設置しない以外は、図16に示す光偏向装置52の光偏向素子10とほぼ同様の構成を有する光偏向素子65を備える光偏向装置を用いた。比較例では、電極対4の印加電圧パターンも実施例と同様にした。
【0137】
このような光偏向装置を用いて、図19に示す測定装置60を用いて測定を行ったところ、過渡光散乱による漏れ光の検出電圧は0.5mV、漏れ光の検出時間は2msecであり、過渡光散乱が顕著に発生していることが判った。
【0138】
また、実施例と同様に、高速度カメラによる開口部を透過して観察される開口パターンHのシフト状態を測定したところ、シフト量は9μm、その移動に要する応答時間は1msecであり、上記実施例と同一であることが判った。しかしながら、開口部を透過して観察される開口パターンHの移動の様子は、比較的不鮮明であり、ボヤッと広がるような開口パターンHが観察された。また、移動が終了した後の画像も僅かにぼやけていることが観察された。これは、液晶分子5aが反転するときの回転方向が不均一であり、大多数の液晶分子5aが反転し終わった後も、配向が乱れていることを示唆している。
【0139】
【発明の効果】
請求項1記載の発明の光偏向装置によれば、基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に発生させる電界方向を反転させることにより、スメクチック相を形成する強誘電性液晶分子をスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動させて配向方向を反転させ、液晶層の層法線方向に対する光学軸の傾斜方向を切り換えて、入射光に対する出射光路を切り換えるとともに、電界方向の反転により液晶層内の少なくとも一部の液晶分子の配向方向がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動して反転する際に、回転運動する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御して、液晶分子の回転方向を揃えることで、回転方向の違いによるドメインの発生を防止して、液晶分子の反転運動に伴って発生する液晶配向状態の乱れ、すなわち、過渡散乱現象を最小限に抑えることができるので、透過率や光利用効率の低減を防止することができる。
【0140】
請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の光偏向装置において、強誘電性液晶分子がコーン状の仮想面内を回転運動して反転する際に、基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に直交する一方向に発生させた直交電界によって、回転運動する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御することができ、液晶配向方向の反転に伴って発生する過渡散乱現象を実用上確実に低減して、透過率や光利用効率の向上を図ることができる。
【0141】
請求項3記載の発明によれば、請求項2記載の光偏向装置において、入射光に対する出射光路の切り換えに関わる有効領域となる液晶層の近傍に直交電極対を設けることで、電界発生手段が発生させる電界方向に直交する一方向の直交電界を比較的簡単な構成で発生させることができるので、比較的簡単な構成で、液晶配向方向の反転に伴って発生する過渡散乱現象を低減し、透過率や光利用効率の良い光偏向装置を提供する。
【0142】
請求項4記載の発明によれば、請求項3記載の光偏向装置において、直交電界を発生させてから基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に電界方向を反転させ、液晶分子の反転が開始する時点で液晶分子に対して回転方向を揃えるような電界を作用させて確実に液晶分子の回転方向を揃えることにより、過渡散乱を防止して透過率や光利用効率の向上を図るとともに、実効的な切り換え時間を短くして光偏向方向の切り換えの高速化を図ることができる。また、電界方向の反転によって開始される液晶分子の配向方向の反転が終了する以前に、直交電界の発生を終了させることで、一旦同一方向に回転運動を開始すれば不要となる直交電界の発生を速やかに終了させ、光偏向位置を正確に制御して、光偏向位置の精度が良い光偏向装置を提供することができる。
【0143】
請求項5記載の発明の光偏向装置によれば、第一または第二の光偏向手段からの出射光の偏光面を略直角に回転して第二または第一の光偏向手段に入射させる偏向面回転手段を第一および第二の光偏向手段の近傍に設けることで、光学軸の傾斜方向を2系統に切り換えるとともに、第一、第二の電界反転手段によって発生させる電界方向の位置関係を利用して、第一の電界反転手段による電界方向の反転タイミングに対する第二の電界反転手段による電界方向の反転タイミングを異ならせることで、第一、第二の液晶層に対して第一、第二の電界発生手段が発生させる電界方向に直交する一方向の電界を偏向面回転手段を介して作用させることで、新たな電極対を設けることなく、第一、第二の液晶層内で回転運動する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御して液晶分子の回転方向を揃え、回転方向の違いによるドメインの発生を防止して、液晶分子の反転運動に伴って発生する過渡散乱現象を最小限に抑えて、透過率や光利用効率の低減を防止することができる。
【0144】
請求項6記載の発明の光偏向方法によれば、電界方向の反転によりスメクチック相を形成する強誘電性液晶分子がスメクチック層内でコーン状の仮想面内で回転運動して配向方向を反転させる際に、回転運動する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御して液晶分子の回転方向を揃えることで、回転方向の違いによるドメインの発生を防止して、液晶分子の反転運動に伴って発生する過渡散乱現象を最小限に抑え、透過率や光利用効率の低減を防止することができる。
【0145】
請求項7記載の発明によれば、請求項6記載の光偏向方法において、強誘電性液晶分子がコーン状の仮想面内を回転運動して配向方向が反転する際に、基板面の法線方向および光偏向方向と略直交する方向に発生させる電界方向に直交する電界を発生させることにより、回転運動する各液晶分子の回転方向を実際上確実に同一方向に制御して、液晶配向方向の反転に伴って発生する過渡散乱現象を実用上確実に低減して、透過率や光利用効率の向上を図ることができる。
【0146】
請求項8記載の発明の画像表示装置によれば、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド単位で画像表示素子が表示する画像を照明手段によって照明することにより各画素から出射される出射光の光路を、光偏向装置によってサブフィールド毎に偏向することで、光学装置によって観察される画像パターンを実際の画素数よりも見掛け上増倍して表示画像を高精細化するとともに、請求項1ないし5のいずれか一に記載の光偏向装置を用いることで、過渡散乱現象が低減され、透過率やMTFの低下を抑制し、表示に利用できる時間を長くして光利用効率の高い画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態の光偏向装置を示す斜視図である。
【図2】光偏向素子の液晶層における電界方向と液晶分子の傾斜方向との関係を示す模式図である。
【図3】液晶層における液晶分子の状態を説明する斜視図である。
【図4】液晶分子の一端が仮想的なコーン状の面内を回転運動する様子を二次元的に説明する模式図である。
【図5】光偏向素子内の液晶分子の傾斜状態を示した模式図である。
【図6】垂直配向膜のラビング方向を説明する水平断面図である。
【図7】 (a)は本発明の第二の実施の形態の光偏向素子を示す水平断面図、(b),(c)はその縦断面図である。
【図8】本発明の第三の実施の形態の光偏向装置の光偏向素子を示す斜視図である。
【図9】光偏向素子の液晶層における電界方向と液晶分子の傾斜方向との関係を示す模式図である。
【図10】別の実施の形態の光偏向素子の液晶層における電界方向と液晶分子の傾斜方向との関係を示す模式図である。
【図11】また、別の実施の形態の光偏向装置の光偏向素子を示す斜視図である。
【図12】さらに、別の実施の形態の光偏向装置の光偏向素子を示す斜視図である。
【図13】本発明の第四の実施の形態の光偏向装置を示し、(a)はその斜視図であり、(b)はその分解斜視図である。
【図14】各電極対に対する電圧印加のタイミングを説明するタイミングチャートである。
【図15】光偏向動作により観察される照明領域の移動状態を示す説明図である。
【図16】本発明の第五の実施の形態の光偏向素子の光偏光素子が備える各電極対に対する電圧印加のタイミングを説明するタイミングチャートである。
【図17】本発明の第六の実施の形態の画像表示装置を示す概略図である。
【図18】実施例の光偏向素子を説明する説明図である。
【図19】測定装置を示す概略図である。
【図20】開口パターンの移動状態を示す説明図である。
【符号の説明】
2 電界反転手段
3 基板
5 液晶層
5a 第一の液晶層
5b 第二の液晶層
11 直交電極対
20a 第一の光偏向手段
20b 第二の光偏向手段
21 偏光面回転手段
30 画像表示装置
31 照明手段
35 画像表示素子
36 光学装置
39 光偏向装置
40 表示駆動手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical deflection apparatus, an optical deflection method, and an image display apparatus.
[0002]
[Definition]
In this specification, the “light deflecting element” means that the optical path of light is deflected by an external electric signal, that is, the outgoing light is shifted in parallel with respect to the incident light, or is rotated with a certain angle, Alternatively, it means an optical element capable of switching the optical path by combining both. In this description, the magnitude of the shift with respect to the optical path deflection due to the parallel shift is referred to as “shift amount”, and the amount of rotation with respect to the optical path deflection due to rotation as the “rotation angle”. The “light deflecting device” means a device that includes such a light deflecting element and deflects the optical path of light.
[0003]
In addition, the “pixel shift element” is an image display element in which a plurality of pixels that can control light according to image information is two-dimensionally arranged, a light source that illuminates the image display element, and an image displayed on the image display element An optical member for observing the image pattern, and a light deflecting means for deflecting an optical path between the image display element and the optical member for each of a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field. An optical deflecting unit in an image display device that displays an image pattern in which the display position is shifted in accordance with the deflection of the optical path for each subfield, thereby increasing the apparent number of pixels of the image display element. means. Therefore, basically, it can be said that the light deflection element and the light deflection device defined above can be applied as the light deflection means.
[0004]
[Prior art]
Conventionally, KH has been used as an optical element as a light deflection element. 2 PO 4 (KDP), NH 4 H 2 PO 4 (ADP), LiNbO 3 , LiTaO 3 , GaAs, CdTe, and other materials having a large primary electro-optic effect (Pockels effect), KTN, SrTiO 3 , CS 2 Electro-optical devices using materials with large secondary electro-optic effect such as nitrobenzene, glass, silica, TeO 2 Acousto-optic devices using materials such as these are known (for example, Shoji Aoki; “Optoelectronic Device”, Shosodo).
In general, in order to obtain a sufficiently large amount of light deflection, it is necessary to take a long optical path length, and the application is limited because the material is expensive.
[0005]
On the other hand, various types of optical elements, which are light deflecting elements using a liquid crystal material, have been proposed, and several examples thereof are as follows.
[0006]
For example, according to the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-18940, a light beam shifter composed of an artificial birefringent plate has been proposed for the purpose of reducing the light loss of the optical space switch. Specifically, two wedge-shaped transparent substrates are arranged in opposite directions, and a light beam shifter having a liquid crystal layer sandwiched between the transparent substrates, and the light beam shifter is connected to the rear surface of a matrix type deflection control element. A light beam shifter has been proposed. In addition, two wedge-shaped transparent substrates are arranged in opposite directions, and a matrix drive is possible between the transparent substrates, and a light beam shifter sandwiching a liquid crystal layer that shifts the incident light beam by a half cell. An optical beam shifter has been proposed in which a half-cell is shifted and connected in multiple stages.
[0007]
Further, according to the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-133904, a large deflection can be obtained, the deflection efficiency is high, and the deflection angle and the deflection distance can be arbitrarily set. A switch has been proposed. Specifically, two transparent substrates are arranged opposite to each other at a predetermined interval, a vertical alignment process is performed on the opposed surfaces, smectic A phase liquid crystal is sealed between the transparent substrates, and the substrate is perpendicular to the transparent substrate. The liquid crystal element includes a driving device in which an electrode pair is arranged so that an alternating electric field can be applied in parallel with the smectic layer and an alternating electric field is applied to the electrode pair. In other words, the electroclinic effect of the smectic A phase liquid crystal is used, and the refraction angle and the direction of displacement of the polarized light incident on the liquid crystal layer can be changed by birefringence due to the tilt of the liquid crystal molecules.
[0008]
In the technique disclosed in the former JP-A-6-18940, nematic liquid crystal is used as the liquid crystal material, so it is difficult to increase the response speed to sub-milliseconds. Cannot be used.
[0009]
In the latter technique disclosed in JP-A-9-133904, a smectic A-phase liquid crystal is used. However, since the smectic A-phase does not have spontaneous polarization, high-speed operation cannot be expected.
[0010]
Next, several techniques that have been conventionally proposed for the pixel shift element will be described. As a technique using a pixel shift element, for example, as disclosed in Japanese Patent No. 2939826, in a projection display apparatus that projects an image displayed on a display element on a screen by a projection optical system, the display is performed. Means for shifting a projection image comprising at least one optical element capable of rotating the polarization direction of transmitted light in the middle of an optical path from the element to the screen and at least one transparent element having a birefringence effect; There is a projection display device comprising means for effectively reducing the aperture ratio of the display element and discretely projecting the projection area of each pixel of the display element on the screen.
[0011]
In the technique disclosed in the publication, at least one optical element (referred to as an optical rotatory element) capable of rotating the polarization direction and at least one transparent element (referred to as a birefringent element) having a birefringence effect are provided. The pixel shift is performed by the projected image shift means (pixel shift means), but as a problem, since the optical rotation element and the birefringence element are used in combination, the light quantity loss is large, the pixel depending on the wavelength of light The shift amount fluctuates and the resolution tends to decrease, and optical noise such as ghost due to leaked light tends to occur at a position outside the pixel shift where an image is not originally formed due to a mismatch in optical characteristics between the optical rotation element and the birefringence element, It is mentioned that the cost for elementization is large. In particular, the KH as described above for the birefringent element 2 PO 4 (KDP), NH 4 H 2 PO 4 (ADP), LiNbO 3 , LiTaO 3 This is remarkable when a material having a large primary electro-optic effect (Pockels effect) such as, GaAs, CdTe is used.
[0012]
In the projector disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-313116, the control circuit samples the image to be originally displayed stored in the image storage circuit into the pixel selection circuit in a checkered pattern, and sequentially performs the spatial light modulator. In addition, the control circuit controls the panel rocking mechanism in response to the display and moves the adjacent pixel pitch distance of the spatial light modulator by an integer by one to display the original image. The power image is reproduced by temporal synthesis. As a result, an image can be displayed with a resolution that is an integral multiple of the pixels of the spatial light modulator, and a projector can be constructed at low cost by using a spatial light modulator with coarse pixels and a simple optical system.
[0013]
However, the technique disclosed in the publication describes a pixel shift method in which the image display element itself is swung at a high speed by a distance smaller than the pixel pitch. In this method, the optical system is fixed. Therefore, although various aberrations are not generated, the image display element itself needs to be translated accurately and at high speed, so that the accuracy and durability of the movable part is required, and vibration and sound become a problem.
[0014]
Further, according to the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320, in order to improve the resolution of a display image apparently without increasing the number of pixels of an image display device such as an LCD, Each of the plurality of pixels arranged in the direction emits light according to the display pixel pattern, thereby changing the optical path for each field between the image display device on which the image is displayed and the observer or the screen. An optical member is arranged, and for each field, a display pixel pattern in a state where the display position is shifted in accordance with the change of the optical path is displayed on the image display device. Here, the optical path is changed by causing the portions having different refractive indexes to appear alternately in the optical path between the image display device and the observer or the screen for each field of the image information. It is.
[0015]
In the technique disclosed in the publication, as a means for changing the optical path, a combination mechanism of an electro-optic element and a birefringent material, a lens shift mechanism, a vari-angle prism, a rotating mirror, a rotating glass, and the like are described. In addition to a system that combines elements and birefringent elements, a system that switches optical paths by displacing (translating, tilting) optical elements such as lenses, reflectors, and birefringent plates using voice coils, piezoelectric elements, etc. has been proposed. However, in this method, the configuration is complicated to drive the optical element, and the cost is increased.
[0016]
Further, according to the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-133135, the rotating machine element can be eliminated, the entire size can be reduced, the accuracy and the resolution can be increased, and the influence of external vibration can be obtained. Difficult light beam deflecting devices have been proposed. Specifically, a translucent piezoelectric element disposed on the light beam traveling path, a transparent electrode provided on the surface of the piezoelectric element, and a light beam incident surface and a light beam emitting surface of the piezoelectric element. Voltage applying means for applying a voltage to the piezoelectric element through the electrode in order to change the optical path length between them and deflect the optical axis of the light beam.
[0017]
In the technique disclosed in this publication, a method is proposed in which a light-transmitting piezoelectric element is sandwiched between transparent electrodes, and the thickness is changed by applying a voltage to shift the optical path. There are the same problems as in the case of the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320, such as requiring an element and increasing the device cost.
[0018]
By the way, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-264821 discloses a technique for preventing domain generation by providing an electric field component orthogonal to the electric field switching direction although having a different purpose. According to the technique disclosed in the publication, a liquid crystal device having a homeotropic alignment in a neutral electric field state and an electrode pair for applying an electric field in a direction substantially parallel to the substrate are used to change the alignment direction of the liquid crystal molecules. Change the face. The number of electrode pairs can be increased to increase the uniformity of the electric field at the location where the light passes through the liquid crystal device.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
According to the applicant of the present invention, a pair of transparent substrates, a liquid crystal composed of a chiral smectic C phase having a homeotropic orientation filled between the substrates, and at least one set of electric fields that cause an electric field to act on the liquid crystal 5. An optical deflecting element including an applying unit has been filed. By using a liquid crystal composed of a chiral smectic C phase, the cost increases due to the complicated structure, the size of the device, the loss of light amount, and the generation of optical noise are improved compared to the conventional optical deflection element. be able to. In addition, according to the proposal, compared with the conventional optical deflecting element, it is possible to improve the dullness of the response of the liquid crystal when using the conventional smectic A liquid crystal or nematic liquid crystal, and to enable high-speed response. It can be.
[0020]
By the way, in the liquid crystal layer of the optical deflection element described above, when an electric field is applied in a direction perpendicular to the spiral axis of the chiral smectic C phase, that is, in the horizontal direction of the smectic layer, the liquid crystal molecules rotate in a conical virtual plane within the smectic layer. It is considered to exercise. At this time, the ratio of the liquid crystal molecules aligned in the same direction changes according to the characteristics such as the helical pitch and spontaneous polarization of the liquid crystal layer, and the inclination direction of the optical axis of the liquid crystal layer corresponding to the average alignment direction of the liquid crystal molecules is Change. When a sufficiently large electric field is applied, the orientation directions of the liquid crystal molecules in each smectic layer are aligned, and the spiral is unwound. When the electric field direction is reversed, the tilt direction of the optical axis of the liquid crystal layer is also reversed, so that it functions as a dynamic birefringent plate and is applied to an optical deflector or the like.
[0021]
However, when the liquid crystal molecules are inverted due to the inversion of the electric field direction, a transient light scattering phenomenon due to the disorder of the alignment state is observed. This is called the Transient-scattering mode (TSM) type electro-optic effect, and the detailed cause of the occurrence is not clear, but the difference in the rotation direction within the cone-shaped virtual plane when the liquid crystal molecules are inverted. It is considered that a domain is generated by this, and light scattering occurs at the domain interface. Conventionally, it has also been proposed to apply a change in the transparent state and the light scattering state to a display device using a light deflection element that generates such transient light scattering.
[0022]
This transient light scattering does not become a uniform domain when the inversion of liquid crystal molecules is completely completed, but is inappropriate for application as a light deflection apparatus that requires a small light scattering intensity and a short scattering time.
[0023]
An object of the present invention is to suppress the transient scattering phenomenon that occurs with the inversion motion of liquid crystal molecules.
[0024]
An object of the present invention is to prevent a reduction in transmittance and light utilization efficiency.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
The optical deflecting device according to the first aspect of the present invention includes a transparent pair of substrates, a liquid crystal layer capable of forming a chiral smectic C phase having a homeotropic orientation filled between the substrates, and a normal direction of the substrate surface And an electric field generating means for generating an electric field in a direction substantially perpendicular to the light deflection direction, an electric field inverting means for inverting the electric field direction generated by the electric field generating means, and a reversal of the electric field direction by the electric field inverting means in the smectic layer. A rotation direction control means for controlling the rotation direction of at least some of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer that rotates in a cone-like virtual plane to reverse the alignment direction in the same direction.
[0026]
Therefore, the ferroelectric liquid crystal molecules forming the smectic C phase are transformed into the smectic layer by inverting the electric field direction generated by the electric field generating means in the direction substantially orthogonal to the normal direction of the substrate surface and the light deflection direction. The orientation direction is reversed by rotating in the cone-shaped virtual plane, and the tilt direction of the optical axis with respect to the normal direction of the liquid crystal layer is switched, so that the outgoing optical path for the incident light is switched. Here, when the orientation direction of at least a part of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is reversed by rotating in the conical virtual plane in the smectic layer due to the reversal of the electric field direction, the rotation direction is controlled by the rotation direction control means. By controlling the rotation direction of each liquid crystal molecule to be the same direction and aligning the rotation direction of the liquid crystal molecules, it is possible to prevent the occurrence of domains due to the difference in the rotation direction.
[0027]
According to a second aspect of the present invention, in the optical deflection apparatus according to the first aspect, the rotation direction control means is an orthogonal electric field orthogonal to the electric field direction generated by the electric field generation means when the electric field direction is reversed by the electric field inversion means. Is generated.
[0028]
Therefore, when the ferroelectric liquid crystal molecules are rotated in the cone-shaped virtual plane and reversed, an electric field is generated by the rotation direction control means in one direction orthogonal to the electric field direction generated by the electric field generation means. In practice, the rotation direction of each of the rotating liquid crystal molecules can be controlled in the same direction by the electric field generated by the rotation direction control means.
[0029]
According to a third aspect of the present invention, in the optical deflecting device according to the second aspect, the rotation direction control means is arranged in the vicinity of the liquid crystal layer to generate the orthogonal electric field, and a voltage is applied to the orthogonal electrode pair. And an orthogonal voltage applying means for applying.
[0030]
Therefore, by providing a pair of orthogonal electrodes in the vicinity of the liquid crystal layer, which is an effective area for switching the outgoing optical path for incident light, a perpendicular electric field in one direction perpendicular to the direction of the electric field generated by the electric field generating means is relatively simple. Can be generated in the configuration.
[0031]
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical deflecting device according to the third aspect, the rotation direction control means generates the orthogonal electric field by the orthogonal voltage application means immediately before reversal of the electric field direction by the electric field inversion means, Before the reversal of the alignment direction of the liquid crystal molecules due to the reversal of the electric field direction, the generation of the orthogonal electric field by the orthogonal voltage applying means is terminated.
[0032]
Therefore, by generating an orthogonal electric field by the orthogonal voltage application means and then reversing the electric field direction by the electric field inversion means, an electric field that aligns the rotation direction is applied to the liquid crystal molecules when the inversion of the liquid crystal molecules starts. The rotation direction of the liquid crystal molecules is surely aligned, and the generation of the orthogonal electric field by the orthogonal voltage applying means is terminated before the reversal of the alignment direction of the liquid crystal molecules started by the reversal of the electric field direction is completed. If the rotational motion is started in the direction, the generation of the unnecessary orthogonal electric field can be quickly terminated.
[0033]
An optical deflecting device according to a fifth aspect of the present invention includes a transparent pair of substrates, a first liquid crystal layer capable of forming a chiral smectic C phase having a homeotropic alignment filled between the substrates, and the substrate surface. A first electric field generating means for generating an electric field in a direction substantially perpendicular to the normal direction and the light deflection direction; and a first electric field inversion means for reversing the electric field direction generated by the first electric field generating means. The first light deflecting means, a pair of transparent substrates, and a chiral smectic C phase filled between the substrates to form a homeotropic alignment can be formed and substantially coincide with the normal direction of the first liquid crystal layer. A second liquid crystal layer having a normal direction, and a second electric field that generates an electric field in a direction substantially perpendicular to the normal direction of the substrate surface, the light deflection direction, and the electric field direction generated by the first electric field generating means. Generating means and said second A second electric field reversing means for reversing the direction of the electric field generated by the electric field generating means, and a second light deflecting means disposed in the vicinity of the first light polarizing means; A polarization plane rotating means disposed between the two light deflecting means and rotating the polarization plane of the incident light to the second polarizing means substantially at right angles to the light emitted from the first light deflecting means; Timing adjusting means for making the inversion timing of the electric field direction by the second electric field inversion means different from the inversion timing of the electric field direction by the first electric field inversion means.
[0034]
Therefore, the first and second electric field generating means generate the first and second electric field inversions in the first and second liquid crystal in the direction of the electric field generated in the direction substantially perpendicular to the normal direction of the substrate surface and the light deflection direction. By reversing each by means, the orientation directions of the liquid crystal molecules in the first and second liquid crystals are reversed, and the tilt direction of the optical axis with respect to the normal direction of the liquid crystal layer is switched. Since the polarization plane rotating means is disposed between the first and second light deflecting devices, the plane of polarization of the light emitted from the first or second light deflecting means is substantially perpendicular by the polarization plane rotating means. Since it is rotated and incident on the second or first light deflecting means, the outgoing optical path for the incident light to the light deflecting device can be switched to two systems. Since both the first and second optical deflecting devices are disposed in the vicinity of the deflection surface rotating means, the electric field generated by the second electric field inversion means with respect to the inversion timing in the electric field direction by the first electric field inversion means. By changing the direction inversion timing according to the timing adjustment means, the electric field in one direction orthogonal to the electric field direction generated by the first and second electric field generation means is rotated on the deflection surface with respect to the first and second liquid crystal layers. It can act via means.
[0035]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a light deflection method in which linearly polarized light is incident on a liquid crystal layer capable of forming a chiral smectic C phase having a homeotropic alignment filled between transparent substrates, and a normal direction of the substrate surface. And an optical deflection method for switching a deflection direction of outgoing light with respect to incident light by inverting an electric field direction generated in a direction substantially orthogonal to the light deflection direction, wherein at least some liquid crystal molecules in the liquid crystal layer are However, when the orientation direction is reversed by rotating in a conical imaginary plane within the smectic layer, the rotation direction of each liquid crystal molecule to be reversed is controlled in the same direction.
[0036]
Therefore, when the orientation direction of the ferroelectric liquid crystal molecules forming the smectic phase by the reversal of the electric field direction is reversed by rotating in the conical virtual plane within the smectic layer, the rotation direction of each liquid crystal molecule that rotates. Are controlled in the same direction, and the rotation direction of the liquid crystal molecules is aligned, so that the occurrence of domains due to the difference in the rotation direction can be prevented.
[0037]
According to a seventh aspect of the present invention, in the optical deflection method according to the sixth aspect, by generating an electric field orthogonal to a normal direction of the substrate surface and an electric field direction generated in a direction substantially orthogonal to the optical deflection direction, The rotation direction of the liquid crystal molecules was controlled in the same direction.
[0038]
Therefore, when the ferroelectric liquid crystal molecules rotate and rotate in a cone-shaped virtual plane, an electric field perpendicular to the normal direction of the substrate surface and the direction perpendicular to the light deflection direction is generated. By doing so, it is possible to control the rotational direction of each of the rotating liquid crystal molecules in the same direction with certainty in practice.
[0039]
An image display device according to an eighth aspect of the present invention is an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are two-dimensionally arranged, illumination means for illuminating the image display element, and the image An optical device for observing an image pattern displayed on the display element; display drive means for driving the image display element in units of a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field; and each pixel of the image display element The light deflection apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the light path of the emitted light is deflected for each of the subfields.
[0040]
Therefore, the optical path of the emitted light emitted from each pixel by illuminating the image displayed by the image display element in units of a plurality of subfields obtained by dividing the image field by the illuminating means is set for each subfield by the light deflecting device. The image pattern observed by the optical device is apparently multiplied from the actual number of pixels. Moreover, by using the optical deflecting device according to any one of claims 1 to 5, the transient scattering phenomenon is reduced, and the decrease in transmittance and MTF is suppressed.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment shows an application example to an optical deflection apparatus.
[0042]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an optical deflecting device of the present embodiment. The optical deflection apparatus of the present embodiment includes an optical deflection element 1 and a power source 2 (see FIG. 2) that applies a voltage to an electrode pair 4 (described later) included in the optical deflection element 1. The power source 2 is driven and controlled by a control system (not shown) to apply an AC voltage having a rectangular wave shape in which the application direction is switched periodically so that the electric field direction is switched in accordance with the target light deflection direction. To do. Here, an electric field generating means is realized by the electrode pair 4 and the power source 2. Moreover, the electric field inversion means is realized by the power source 2.
[0043]
The light deflection element 1 includes a pair of transparent substrates 3 arranged to face each other. As the transparent substrate 3, glass, quartz, plastic or the like can be used, and a transparent material having no birefringence is preferable. The thickness of the substrate 3 is set within a range of several tens of μm to several mm.
[0044]
A metal sheet member 4 is provided between the pair of substrates 3 to share a spacer that defines the distance between the pair of substrates 3 and a pair of electrodes that generate an electric field in a liquid crystal layer described later. In the present embodiment, an electrode pair is realized by the pair of metal sheet members 4. Hereinafter, the metal sheet member is referred to as an electrode or an electrode pair, and a reference numeral 4 is given for explanation. As the spacer, a sheet member having a thickness of about several μm to several mm, or a particle having a particle size of about several μm to several mm is used. The spacer is preferably provided outside the effective area of the device. As the electrode, it is possible to use a metal such as aluminum, copper, or chromium, a transparent electrode such as ITO, etc. In order to apply a uniform horizontal electric field in the liquid crystal layer 5 described later, the thickness of the liquid crystal layer 5 It is preferable to use a metal sheet having the same thickness as the above. The electrode 4 is provided outside the effective area which is an area related to the light deflection operation by the liquid crystal.
[0045]
In the present embodiment, as a more preferred embodiment, the spacer and the electrode are shared by the metal sheet member, so that the number of parts can be reduced and the manufacturing can be facilitated.
[0046]
A liquid crystal layer 5 is provided at a position between the pair of substrates 3 and between the electrodes 4. As the liquid crystal layer 5, a liquid crystal capable of forming a smectic C phase is used.
When a voltage is applied between the electrodes 4 by the power supply, an electric field is generated in the horizontal direction of the liquid crystal layer 5.
[0047]
Further, vertical alignment films 6 for vertically aligning (homeotropic alignment) the liquid crystal molecules 5a (see FIG. 2) with respect to the surface of the substrate 3 are provided on the mutually opposing surfaces (inner side surfaces) of the pair of substrates 3, respectively. Yes. The vertical alignment film 6 is not particularly limited as long as it is a material that homeotropically aligns the liquid crystal molecules 5a with respect to the surface of the substrate 3. For example, a vertical alignment agent or silane coupling used for a general liquid crystal display is used. Agent, SiO 2 A vapor deposition film or the like can be used.
[0048]
The “vertical alignment (homeotropic alignment)” in the present invention is not limited to the state in which the liquid crystal molecules 5a are aligned strictly perpendicular to the substrate surface of the substrate 3, and the liquid crystal molecules 5a are aligned with respect to the substrate surface. It includes an alignment state tilted to several tens of degrees.
[0049]
Here, the liquid crystal layer 5 capable of forming a smectic C phase will be described in detail. A “smectic liquid crystal” is a liquid crystal layer in which the major axis direction of liquid crystal molecules is arranged in a layered manner (smectic layer). With respect to such a liquid crystal, a liquid crystal in which the normal direction of the layer (layer normal direction) and the major axis direction of the liquid crystal molecules coincide with each other is referred to as “smectic A phase”, and a liquid crystal that does not coincide with the normal direction is referred to as “ It is called “smectic C phase”. A ferroelectric liquid crystal composed of a smectic C phase generally has a so-called helical structure in which a liquid crystal director direction is helically rotated for each smectic layer in a state where an external electric field does not work, and is called a “chiral smectic C phase”. In addition, the chiral smectic C reciprocal ferroelectric liquid crystal faces the direction in which the liquid crystal directors face each other. Since the liquid crystal composed of these chiral smectic C phases has an asymmetric carbon in the molecular structure and is spontaneously polarized by this, the liquid crystal molecules are rearranged in a direction determined by the spontaneous polarization Ps and the external electric field E. Optical properties are controlled.
[0050]
In the present embodiment, the light deflection element 1 will be described by taking a ferroelectric liquid crystal as an example of the liquid crystal layer 5. However, the present invention is not limited to this, and the liquid crystal layer 5 can be similarly used in the case of an antiferroelectric liquid crystal. .
[0051]
The chiral smectic C phase has an extremely fast response compared to the smectic A phase and nematic liquid crystal, and is characterized in that switching in sub ms is possible. In particular, since the liquid crystal director direction is uniquely determined with respect to the electric field direction, control of the director direction is easier and easier to handle than a liquid crystal composed of a smectic A phase.
[0052]
The liquid crystal layer composed of smectic C phase forming homeotopic alignment has a more restrictive action from the substrate than the liquid crystal director when compared to the homogeneous alignment (the liquid crystal director is aligned parallel to the substrate surface). It is difficult to receive, and it is easy to control the direction of light deflection by adjusting the direction of the external electric field, and has the advantage that the required electric field is low. Further, when the liquid crystal directors are homogeneously oriented, the liquid crystal directors strongly depend not only on the direction of the electric field but also on the substrate surface, so that more positional accuracy is required for the installation of the light deflection element. Conversely, in the case of homeotopic orientation as in the present embodiment, the setting margin of the optical deflection element 1 increases with respect to optical deflection. In making use of these features, it is not necessary to strictly orient the spiral axis perpendicular to the substrate surface, and it may be inclined to some extent. It suffices if the liquid crystal director can face in two directions without receiving the regulating force from the substrate.
[0053]
Here, the operation principle of the optical deflection element 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the electric field direction in the liquid crystal layer 5 of the optical deflection element 1 and the tilt direction of the liquid crystal molecules 5a. In FIG. 2, the side where the width of the liquid crystal molecules 5a is drawn is inclined to the front (front) side of the paper, and the side where the width is drawn is inclined to the back (back) side of the paper. The relationship between the electric field direction and the tilt direction of the liquid crystal molecules in the case of is shown. In FIG. 2, the spontaneous polarization direction of the liquid crystal molecules 5a is indicated by an arrow Ps (PS in FIG. 2).
[0054]
When the direction of the electric field is reversed from the state shown in FIGS. 2A and 3A, the direction of the tilt angle of the liquid crystal molecules 5a that are substantially vertically aligned as shown in FIGS. 2B and 3B. Is reversed. Here, when the direction of the tilt angle is reversed, as shown in FIG. 3A, one end of the liquid crystal molecule 5a is considered to rotate in a virtual cone-shaped surface (virtual cone surface) C. .
[0055]
Here, FIG. 4 is a schematic diagram for two-dimensionally explaining how one end of the liquid crystal molecule 5a rotates in a virtual cone-shaped plane C. In FIG. 4, it is assumed that a voltage is applied in the front and back direction of the paper and that an electric field acts in the front and back direction of the paper. Further, it is assumed that the incident light incident on the light deflection element 1 is linearly polarized light. In FIG. 4, the vertical alignment film 6, the metal sheet member that also serves as the spacer and the electrode will be omitted. As shown in FIG. 4A, when an electric field is generated between the electrodes 4 from the back side to the front side of the paper, if the spontaneous polarization of the liquid crystal molecules 5a is positive, the liquid crystal director tilts in the upper right direction in FIG. Since the number of the liquid crystal molecules 5a increases, the average optical axis as the liquid crystal layer 5 is also inclined in the upper right direction in FIG. Here, the liquid crystal layer 5 functions as a birefringent plate.
[0056]
Above the threshold electric field at which the helical structure of the chiral smectic C phase can be solved, all the liquid crystal directors exhibit a tilt angle θ as shown in FIG. When an electric field from the back side to the near side is generated, the birefringent plate has an optical axis inclined upward at an angle θ. In this state, the linearly polarized light that has entered as extraordinary light from the left side in FIG. 4 takes the optical path indicated by A in FIG. 4A, and is parallel shifted upward with respect to the incident position of the incident light.
[0057]
Here, when the refractive index in the major axis direction of the liquid crystal molecules 5a is ne, the refractive index in the minor axis direction is no, and the thickness (gap) of the liquid crystal layer 5 is d, the exit position of the emitted light with respect to the incident position of the incident light. The shift amount S, which is a shift amount, is expressed by the following equation (see, for example, “Crystal Optics” Applied Physics Society, Optical Society, p198).
Figure 0003943450
[0058]
Similarly, as shown in FIG. 4B, when the direction of the voltage applied between the electrodes 4 is reversed to generate an electric field from the front side to the back side of the paper, the spontaneous polarization of the liquid crystal molecules 5a is positive. For example, the number of liquid crystal molecules 5a in which the liquid crystal director tilts in the lower right direction in FIG. 4 increases, and the average optical axis as the liquid crystal layer tilts at an angle θ in the lower side in FIG. Here, the liquid crystal layer 5 functions as a birefringent plate inclined at an angle θ.
[0059]
In this state, the linearly polarized light that is incident as extraordinary light from the left side in FIG. 4 takes the optical path indicated by B in FIG. 4B and is parallel-shifted downward relative to the incident position of the incident light.
[0060]
In the optical deflection element 1, the amount of light deflection (shift amount) for 2S can be obtained by reversing the electric field direction in this way.
[0061]
Incidentally, the stable state after the liquid crystal molecules 5a are reversed and re-oriented has been described with reference to FIGS. 2 to 4. However, the alignment state of the liquid crystal molecules 5a is greatly increased in the process of reversing the alignment direction of the liquid crystal molecules 5a. Disturbed. Due to the disorder of the alignment state of the liquid crystal molecules 5a, transient light scattering in which a transient light scattering phenomenon due to the disorder of the alignment state is observed occurs.
[0062]
Here, the transient light scattering will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing the tilted state of the liquid crystal molecules in the optical deflection element, as in FIG. Above the threshold electric field at which the helical structure of the chiral smectic C phase can be solved, the liquid crystal molecules 5a are uniformly oriented as shown in FIG.
[0063]
When the applied electric field is reversed from this state in a shorter time than the response time of the liquid crystal, the liquid crystal molecules 5a start to be reversed along the cone-like virtual plane C (see FIGS. 2 and 3). At this time, in the liquid crystal layer 5, as shown in FIG. 5B, it is estimated that a region R in which the liquid crystal molecules 5a rotate clockwise and a region L in which the liquid crystal molecules 5a begin to rotate counterclockwise are generated. . The above-mentioned transient light scattering is considered to occur strongly at the interface S between domains having different rotation directions.
[0064]
As shown in FIG. 5 (c), the transient light scattering disappears when the inversion of the liquid crystal molecules 5a with respect to FIG. 5 (a) is completed and the liquid crystal molecules 5a are reoriented to a uniformly inclined state.
[0065]
That is, in order to reduce the above-mentioned transient light scattering, at least a part of the liquid crystal molecules 5a in the liquid crystal layer 5 is rotated in the cone-like virtual plane C in the smectic layer by reversal of the electric field direction. As shown in FIG. 5D, it is presumed that it is effective to control the rotation direction of each liquid crystal molecule 5a to be inverted in the same direction.
[0066]
In the present embodiment, the vertical alignment film 6 is rubbed in the direction indicated by the arrow f in FIG. 6, that is, the rubbing process set substantially parallel to the electric field direction, thereby directing the alignment direction of the liquid crystal layer 5 itself. And the rotation direction of the liquid crystal molecules 5a is controlled in the same direction. Here, the rotation direction control means is realized by the rubbing-processed vertical alignment film 6.
[0067]
Thereby, when the rotation of the liquid crystal molecules 5a starts, the probability that the liquid crystal molecules 5a start to rotate in the rubbing direction is increased, and the rotation direction of the liquid crystal molecules 5a can be controlled. The rubbing direction only needs to be different from the light deflection direction, that is, the inclination direction of the optical axis in a steady state, and is not limited to a direction substantially perpendicular to the substrate surface as shown in FIG.
[0068]
In the method of controlling the rotation direction of the liquid crystal molecules 5a in the same direction by giving the directivity to the alignment direction of the liquid crystal layer 5 by performing a rubbing process on the vertical alignment film 6 as in the present embodiment, a stable tilt Since the direction is set to only one direction, the rotational motion at the time of inversion of the liquid crystal molecules 5a is always a reciprocating motion via a stable tilt direction.
[0069]
In the present embodiment, the arrangement position of the electrodes 4 and the voltage application state to the liquid crystal layer 5 are improved so that the alignment state of the liquid crystal molecules 5a can be controlled. 6. The liquid crystal layer 5, the spacer, and the electrode 4 (also used in this embodiment by a metal sheet member) can have the same configuration as that of a conventional light deflection element.
[0070]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, by forming a polymer network in the liquid crystal layer 5, directivity is given to the alignment direction of the liquid crystal layer 5 itself, and the rotation direction of the liquid crystal molecules 5a is controlled in the same direction.
[0071]
FIG. 7A is a horizontal cross-sectional view showing the light deflection element of the present embodiment. As shown in FIG. 2, in the light deflecting element of the present embodiment, a polymer network is formed by the polymer chains 8 contained in the liquid crystal layer 5. The polymer network in the liquid crystal layer 5 is prepared by adding a polymerizable monomer or prepolymer that reacts by ultraviolet rays or heat to the liquid crystal, and applying a horizontal electric field to the liquid crystal layer 5 to uniformly tilt the liquid crystal molecules 5a. It forms by making the polymerization reaction of a polymerizable monomer in a state. In the polymerization reaction of the polymerizable monomer or prepolymer, a stable tilt direction of the liquid crystal molecules 5a is generated by generating an electric field in a direction different from the electric field direction during normal operation by temporarily setting an external electrode or the like. Is set in a direction different from the light deflection direction. Thereby, a polymer network having directivity is formed in the liquid crystal layer 5, and a polymer stabilized liquid crystal layer can be formed.
[0072]
The polymer chain 8 according to the present embodiment generates a liquid crystal molecule 5a in the liquid crystal layer 5 by temporarily generating an external electric field with respect to the liquid crystal layer 5 in a state where the liquid crystal layer 5 contains a monomer or a prepolymer. Is formed by polymerizing a monomer or a prepolymer in a state inclined to the right side in FIG. 7A shows a state in which an electric field is generated in the left direction in FIG. 7A with respect to the liquid crystal layer 5 after the polymer chain 8 is formed.
[0073]
The monomer or prepolymer that forms the polymer chain 8 may be photopolymerizable (ultraviolet) or thermally polymerized (cured). For example, a polymer chain using a photopolymerizable monomer or prepolymer may be used. May be irradiated with linearly polarized light in the left-right direction in FIG.
[0074]
When a voltage is applied between the electrodes 4 of the light deflection element 7 to generate an electric field in the liquid crystal layer 5, the liquid crystal molecules 5a in the liquid crystal layer 5 are aligned vertically as shown in FIG. Take a state. At this time, as shown in FIG. 7B, the polymer chain 8 is presumed to be in an obliquely extended state with respect to the major axis direction of the liquid crystal molecules 5a in the vertically aligned state.
[0075]
Here, even when the polymer chain 8 is obliquely extended with respect to the major axis direction of the liquid crystal molecules 5a in the vertical alignment state, a voltage is applied between the electrodes 4 as compared with the alignment regulating force by the polymer chain 5. When the driving force by the electric field generated in the liquid crystal layer 5 is sufficiently larger, the liquid crystal molecules 5a are aligned as shown in (a) without being affected by the polymer chain as shown in (b).
[0076]
On the other hand, when the electric field direction is switched, if the influence of the electric field generated in the liquid crystal layer 5 becomes small, the alignment regulating force by the polymer chain 8 becomes strong. Then, at the moment when the alignment regulating force by the polymer chain 8 becomes stronger than the influence of the electric field generated in the liquid crystal layer 5, the liquid crystal molecule 5a is shown in FIG. 7 (c) by the polymer chain 8 as shown in FIG. ) Rotate in the middle left direction. The direction of rotation can be controlled. That is, by forming a polymer network in the liquid crystal layer 5, asymmetry occurs in the ease of rotation of the liquid crystal molecules 5a, so that the direction in which the liquid crystal molecules 5a start to rotate can be controlled in the same direction. Here, the rotation direction control means is realized by the polymer network.
[0077]
The polymer network may be formed by polymer chains 8 having a liquid crystalline structure in the main chain or side chain.
[0078]
In the method of forming a polymer network in the liquid crystal layer, it is possible to reduce the side effect of deviating the light deflection direction and increasing the response time by optimizing the addition amount and material of the polymer.
[0079]
In the method of controlling the rotation direction of the liquid crystal molecules 5a in the same direction by giving directivity to the alignment direction of the liquid crystal layer 5 by forming polymer stabilization in the liquid crystal layer 5 as in the present embodiment, the method is stable. Since the tilt direction is set to only one direction, the rotational motion at the time of inversion of the liquid crystal molecules 5a is always a reciprocating motion via a stable tilt direction.
[0080]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, the rotation direction of the liquid crystal molecules 5a is controlled in the same direction by applying an electric field component orthogonal to the normal electric field direction when the liquid crystal molecules 5a are inverted.
[0081]
FIG. 8 is a perspective view showing an optical deflection element of the optical deflection apparatus of the present embodiment. The light deflection element 10 of the light deflection apparatus according to the present embodiment has substantially the same configuration as the light deflection element 1 according to the first embodiment, and is perpendicular to the light deflection element 1 according to the first embodiment. Instead of the rubbing process for the alignment film 6, an orthogonal electrode pair formed by a pair of orthogonal electrodes 11 that generate an electric field in a direction orthogonal to the direction of the electric field generated between the electrodes 4 is provided. The orthogonal electrode 11 is disposed so that the end portion on the electrode 4 side is separated from the electrode 4.
[0082]
In addition, the optical deflecting device of the present embodiment includes an orthogonal electrode 11 disposed in the vicinity of the liquid crystal layer 5 and a second power source (not shown) that applies a voltage between the orthogonal electrodes 11. The second power supply starts the operation immediately before reversing the voltage direction applied between the electrodes 4 by the power supply 2 when the electric field direction is reversed, and before the response time of the liquid crystal molecules 5a elapses after the operation is started. Drive control is performed by a control system (not shown) so as to end the operation.
[0083]
By applying a voltage to the orthogonal electrode pair immediately before reversing the direction of the electric field generated between the electrodes 4, an electric field indicated by an obliquely downward arrow ef in FIG. 9 (a) is generated in the liquid crystal layer 5. The liquid crystal molecules 5a begin to rotate counterclockwise.
[0084]
In this state, when the direction of the voltage applied between the electrodes 4 is reversed to reverse the direction of the electric field generated between the electrodes 4, the liquid crystal molecules 5a continue to rotate counterclockwise and are reversed.
[0085]
Here, by reversing the electric field direction generated in the direction substantially perpendicular to the normal direction of the substrate surface and the light deflection direction after generating the orthogonal electric field, the inversion of the liquid crystal molecules 5a due to the inversion of the electric field direction starts. Thus, the rotation direction of the liquid crystal molecules can be reliably aligned by applying an electric field that aligns the rotation direction to the liquid crystal molecules 5a. Here, the rotation direction control means is realized.
[0086]
This prevents transient scattering caused by the reversal of the liquid crystal alignment direction and improves the transmittance and light utilization efficiency, and shortens the effective switching time and speeds up the switching of the light deflection direction. be able to.
[0087]
In the present embodiment, since the orthogonal electric field is generated by the pair of orthogonal electrodes 11 provided outside the effective region of the optical deflection element 10, the transient scattering phenomenon is reduced with a relatively simple configuration, and the transmittance. And improvement of light utilization efficiency.
[0088]
According to the present embodiment, by controlling the direction and magnitude of the electric field component orthogonal to the normal direction of the substrate surface and the light deflection direction and the application timing, the rotation direction of the liquid crystal molecules 5a is reliably controlled in the same direction. be able to.
[0089]
Further, according to the present embodiment, the rotational movement of the liquid crystal molecules 5a can be controlled like a reciprocating movement, or can be controlled so as to continuously rotate in one direction.
[0090]
By the way, when the voltage is continuously applied between the orthogonal electrodes 11, the electric field generated between the electrodes 4 is orthogonal to the substrate surface due to the action of the orthogonal electric field, as indicated by the obliquely downward arrow ef in FIG. 9B. It is in a state shifted from the direction. As a result, the tilt direction of the liquid crystal molecules is slightly shifted from the originally intended angle, and the light deflection direction is also slightly shifted.
[0091]
In the present embodiment, since the operation is finished before the response time of the liquid crystal molecules 5a has elapsed since the start of voltage application by the second power supply, at the time when the reversal of the alignment direction of the liquid crystal molecules 5a is finished. The orthogonal electric field that causes the light deflection position to change is not generated.
[0092]
Here, before the reversal of the alignment direction of the liquid crystal molecules 5a started by the reversal of the electric field direction is terminated, the generation of the orthogonal electric field is terminated, so that the orthogonal electric field which becomes unnecessary once the rotational motion is started in the same direction. Can be promptly terminated, and the optical deflection position can be accurately controlled to provide an optical deflection apparatus with high accuracy of the optical deflection position.
[0093]
In addition, the arrangement position of the orthogonal electrode 11 is preferably outside the effective area of the light deflecting element 10 and in the vicinity of the liquid crystal layer 5 and at a position not excessively approaching the electrode pair. In the present embodiment, a portion related to light deflection in the light deflection element 10 is defined as an effective area. When the electrode 4 and the orthogonal electrode 11 are close to each other, even if a potential difference is generated between the electrodes 4, the orthogonal electrode 11 becomes equipotential. Therefore, a desired potential difference, that is, an electric field distribution is generated in the vicinity of the orthogonal electrode 11. It becomes difficult to obtain.
[0094]
On the other hand, in the present embodiment, since the end portions of the orthogonal electrode 11 on the electrode 4 side are arranged away from the electrodes 4, an electric field is generated in the target direction even in the vicinity of the orthogonal electrode 11. Can be made.
[0095]
In the present embodiment, the pair of orthogonal electrodes 11 is used. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 10, a plurality of divided orthogonal electrodes 11 may be used.
[0096]
Further, in the present embodiment, the pair of orthogonal electrodes 11 facing each other through the liquid crystal layer 5 along the surface direction of the substrate 3 is used. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. The substrate 3 and the liquid crystal layer 5 may be provided in an oblique direction with respect to the surface direction of the substrate 3. As a result, when a voltage is applied to the orthogonal electrode 11, an electric field acting perpendicularly to the normal direction of the substrate surface and the light deflection direction and acting obliquely with respect to the surface direction of the substrate 3, as indicated by an arrow t in FIG. appear. A state in which an electric field is not applied to the orthogonal electrode 11 by separating the substrate 3 and the like between the electrode 4 and the orthogonal electrode 11, that is, in the liquid crystal layer 5 after the rotation of the liquid crystal molecules 5 a is completed. The influence of the orthogonal electrode 11 on the electric field distribution in the horizontal direction can be reduced.
[0097]
As described above, by dividing the orthogonal electrodes or sandwiching a dielectric such as the substrate 3 between the orthogonal electrodes 11, it is possible to prevent the equipotential portion due to the orthogonal electrodes 11 from spreading.
[0098]
In addition, in this embodiment, an electric field orthogonal to the normal direction of the substrate surface and the optical deflection direction is generated by the pair of electrodes 4. For example, as shown in FIG. When the light deflection electrode for generating an electric field perpendicular to the direction and the light deflection direction is composed of the transparent line electrode group 4x, a dielectric layer 13 is formed on the transparent line electrode group 4x of both substrates 3, and this dielectric The layer 13 is formed so as to sandwich the orthogonal electrode 11 therebetween. With this configuration, the interaction between the electric field generated by the transparent line electrode group 4x and the electric field generated by the orthogonal electrode 11 can be reduced.
[0099]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment shows an application example to an optical deflection apparatus capable of deflecting light in two systems.
[0100]
FIG. 13A is a perspective view showing the optical deflecting device of this embodiment, and FIG. 13B is an exploded perspective view thereof. The optical deflection apparatus of the present embodiment is provided between two optical deflection elements 20 (20a, 20b) having the same configuration as the optical deflection element 1 shown in FIG. And a polarization plane rotating plate 21 as a deflection plane rotating means for rotating the polarization plane of the lens at a substantially right angle.
[0101]
As the polarization plane rotating plate 21, for example, a half-wave plate, a twisted nematic liquid crystal cell having no electrode, a film in which twisted nematic liquid crystal is fixed, or the like can be used.
[0102]
The two light deflecting elements 20a and 20b in the light deflecting device are normal to the liquid crystal layer (first liquid crystal layer) 5A of the light deflecting element (first light polarizing means) 20a via the polarization plane rotating plate 21. The direction and the normal direction of the liquid crystal layer (second liquid crystal layer) 5B of the light deflecting element (second light polarization means) 20b are arranged so as to substantially coincide with each other. Further, in the two optical deflection elements 20a and 20b in the optical deflection apparatus, the direction of the electric field generated between the electrodes 4a of the optical deflection element 20a and the direction of the electric field generated between the electrodes 4b of the optical deflection element 20b are substantially orthogonal. Are arranged to be.
[0103]
A power supply (not shown) for applying a voltage to the electrode pairs 4a and 4b is connected to the electrode pairs 4a and 4b of the light deflection elements 20a and 20b. In the present embodiment, one electrode 4a, 4b of the pair of electrodes 4a, 4b is connected to a rectangular wave AC power source. The power source is driven and controlled by a control system (not shown), and the inversion timing of the electric field direction generated between the electrodes 4b is different from the inversion timing of the electric field direction generated between the electrodes 4a. Control the timing of voltage application. Here, a first electric field generating means and a second electric field generating means are realized by a power source and electrodes 4a and 4b (not shown). In the present embodiment, the timing of voltage application to the electrode pairs 4a and 4b is controlled so as to be the timing shown in FIG. That is, the voltage applied to the electrode 4a and the voltage applied to the electrode 4b have the same polarity so that the polarity of the voltage applied to the electrode 4a and the polarity of the voltage applied to the electrode 4b are not completely reversed. The timing is set as follows. In the present embodiment, the polarity inversion period of the voltage applied to the electrode 4b is set to be shifted by ¼ period with respect to the inversion period of the polarity of the voltage applied to the electrode 4a. Here, the timing adjusting means is realized.
[0104]
When a voltage is applied in a pattern as shown in FIG. 14, the applied voltage value, the thickness of the substrate 3, and the like are such that the electric field generated in one optical deflection element 20a or 20b is the same as that of the other optical deflection element 20b or 20a. It is set so that there is little influence on the deflection direction.
[0105]
In such a configuration, the liquid crystal molecules 5a in the respective liquid crystal layers 5A and 5B are inverted by reversing the electric field directions generated in the direction substantially orthogonal to the substrate surface normal direction and the light deflection direction generated between the electrodes 4a and 4b. The orientation direction of the liquid crystal layer 5 is inverted, and the inclination direction of the optical axis with respect to the normal direction of the liquid crystal layer 5 is switched.
[0106]
At this time, the polarization plane of the light emitted from the light deflection element 20a is rotated substantially at right angles by the polarization plane rotating plate 21 disposed between the light deflection elements 20a and 20b and is incident on the light deflection element 20b. The outgoing optical path for the incident light to the deflecting device can be switched between two systems, the horizontal direction (Y direction in FIG. 13) and the vertical direction (X direction in FIG. 13). Thereby, for example, when the light emitted from the light deflecting element 20b of the light deflecting device is irradiated onto the screen 22 or the like, by combining two directions in the X direction and two directions in the Y direction, FIG. As shown in (d) to (d), the light path can be shifted so that the illumination area P sequentially moves and rotates around the four corners of the substantially square shape.
[0107]
Further, in the present embodiment, the two light deflection elements 20a and 20b are disposed close to each other via the polarization plane rotating plate 21, and the timing of voltage application to each electrode pair is controlled as shown in FIG. By using the positional relationship between the two light deflection elements 20a and 20b, an electric field direction generated between one electrode 4a or 4b is generated between the other electrode 4b or 4a without providing a new electrode pair. Rotation of each liquid crystal molecule 5a that can act as an electric field orthogonal to the electric field direction and that rotates by the inversion of the electric field direction generated between the other electrode 4b or 4a by the electric field generated between the one electrode 4a or 4b. The direction of the liquid crystal molecules 5a can be aligned by controlling the direction to be the same direction. Here, the rotation direction control means is realized.
[0108]
As a result, an optical deflecting device capable of deflecting light in two systems, without providing a dedicated electrode, prevents the occurrence of domains due to the difference in the rotation direction of the liquid crystal molecules 5a that rotate when the electric field direction is switched. It is possible to minimize the transient scattering phenomenon that occurs with the inversion motion of the molecule 5a, and to prevent the transmittance and the light utilization efficiency from being reduced.
[0109]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Compared with the fourth embodiment, the present embodiment differs in the waveform of the voltage applied to the two electrode pairs, and the other light is synchronized with the inversion timing of the electric field direction in one optical deflection element. The leakage electric field from the deflecting element is actively used.
[0110]
In this embodiment, as shown in FIG. 16, the voltage obtained by temporarily increasing the applied voltage value of the other optical deflection element 20b or 20a only during the period before and after the electric field inversion time of one optical deflection element 20a or 20b. Is applied.
[0111]
By applying a voltage having such a waveform, a leakage electric field generated upon reversal of the electric field direction in one of the optical deflection elements 20a or 20b is increased, and is perpendicular to the optical deflection direction with respect to the other optical deflection element 20b or 20a. It is possible to effectively act on the electric field component.
[0112]
As shown in FIG. 16, the voltage value to be temporarily increased, the application time of the voltage to be temporarily increased, and the like are optimized according to the element configuration such as the liquid crystal material and the substrate thickness.
[0113]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment shows an application example to an image display device.
[0114]
FIG. 17 is a schematic diagram showing an image display apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 17, the image display device 30 of the present embodiment includes a light source 31 as an illumination unit that emits light. The light source 31 of the present embodiment has a configuration in which LED lamps are arranged in a two-dimensional array.
[0115]
On the optical path of light emitted from the light source 31 toward the screen 32, a diffusion plate 33, a condenser lens 34, a transmissive liquid crystal panel 35 as an image display element, an image display element, and an image display element are disposed in order along the light traveling direction. A projection lens 36 as an optical device for observing the pattern is provided. ON / OFF of the light emitted from the light source 31 is controlled by the light source drive unit 37. The transmissive liquid crystal panel 35 is driven and controlled by a liquid crystal drive unit 38 as display driving means, and has a configuration in which a plurality of pixels that can control light emitted from the light source 31 according to image information are two-dimensionally arranged. ing. The transmissive liquid crystal panel 35 of the present embodiment spatially modulates the illumination light from the light source 31, and the liquid crystal drive unit 38 drives the transmissive liquid crystal panel 35 in units of a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field. .
[0116]
On the optical path between the transmissive liquid crystal panel 35 and the projection lens 36, an optical deflection device 39 that functions as a pixel shift element is interposed. As the optical deflecting device 39, the optical deflecting device of any of the above-described embodiments may be used. The light deflecting device 39 of the present embodiment has the same configuration as the light deflecting device of the sixth embodiment. The optical deflection device 39 is connected to the deflection drive unit 40 and deflects an image optical path emitted through the transmissive liquid crystal panel 35. The deflection drive unit 40 drives and controls the optical deflection device 39 so as to deflect the image optical path emitted through the transmissive liquid crystal panel 35 for each subfield. In the present embodiment, the shift amount by the light deflecting device 39 is set to ½ of the pixel pitch in the transmissive liquid crystal panel 35.
[0117]
In such a configuration, the illumination light that is controlled by the light source drive unit 37 and emitted from the light source 31 becomes illumination light that is made uniform by the diffusion plate 33, and the transmissive liquid crystal panel 35 is critically illuminated via the condenser lens 34. To do. The transmissive liquid crystal panel 35 is driven and controlled by the liquid crystal drive unit 38 to spatially modulate the illumination light from the light source 31 in units of subfields.
[0118]
The illumination light that has been spatially light modulated by the transmissive liquid crystal panel 35 enters the light deflecting device 39 as image light. The light deflection device 39 is driven and controlled by the deflection drive unit 40 to deflect the image light so that the image light projected on the screen 32 is shifted by an arbitrary distance in the pixel arrangement direction. The deflected image light is magnified by the projection lens 36 and projected onto the screen 32.
[0119]
As described in the above embodiment, the light deflecting device 39 according to the present embodiment can deflect the projection light path in two systems of the X direction and the Y direction. By synchronizing the spatial light modulation timing in units with the timing of shifting the optical path so that the illumination area P sequentially moves and rotates around the four corners of the substantially rectangular shape (see FIGS. 15A to 15D), The number of pixels of the display image displayed on the screen 32 can be apparently multiplied by four times. As a result, a high-definition image can be displayed without actually multiplying the number of pixels of the transmissive liquid crystal panel 35.
[0120]
Here, in the present embodiment, since the light utilization efficiency can be improved by using the light deflecting device 39, a bright and high-quality image can be provided without increasing the load on the light source 31.
[0121]
In the present embodiment, by using the optical deflecting device 39, the optical deflection position in the optical deflecting device 39 can be controlled by adjusting the electric field direction and electric field strength generated between the electrodes 4a and 4b. Therefore, an appropriate pixel shift amount can be maintained and a good image can be obtained.
[0122]
In particular, in the present embodiment, the use of the optical deflection device 39 can reduce transient light scattering that occurs at the time of switching the optical deflection operation, so that a decrease in transmittance and MTF can be suppressed. In this way, by suppressing transient light scattering when switching the deflection direction, it is possible to lengthen the time during which scattered light can be used for display as image light, thereby improving the light utilization efficiency. Can be made.
[0123]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described. In the example, an optical deflection element as described below was manufactured, the optical axis of the manufactured optical deflection element was observed, transient light scattering was measured, and the optical path shift phenomenon was observed with a high-speed camera.
[0124]
(Preparation of optical deflection element)
First, the fabrication of the light deflection element 10 will be described. As an example, an aluminum electrode sheet having a thickness of 60 μm, a width of 0.5 mm, and a length of 12 mm is formed on a surface of a 1 mm thick glass substrate on which a 0.6 μm thick vertical (homeotropic) alignment film is formed. The electrode pairs 4 are formed by arranging them in parallel so that the effective area is about 1 cm wide, and aluminum electrode sheets similar to the electrode pairs 4 are arranged at intervals of 2 cm so as to be orthogonal to the first electrode pairs. Thus, the orthogonal electrode pair 11 was formed to produce a cell having an electrode arrangement as shown in FIG.
[0125]
In a state where the cell is heated to about 90 degrees, a ferroelectric liquid crystal (Chisso CS1029: birefringence Δn = 0.16, tilt angle θ = 25 degrees, spontaneous polarization Ps = −40 nC / cm 2 ) Was injected by a capillary method and sealed with an adhesive after cooling, thereby producing a light deflection element 10 having a liquid crystal layer 5 thickness of 60 μm and an effective area of 1 cm square.
[0126]
Power sources 50 and 51 including a pulse generator and a high-speed amplifier were connected to the electrode pair 4 and the orthogonal electrode pair 11 of the optical deflection element 10 to obtain an optical deflection device 52.
[0127]
(Observation of optical axis)
Next, observation of the optical axis will be described. When a conoscopic image of the liquid crystal layer in the effective region of the light deflection element 10 was observed in the absence of an electric field, a cross and a ring image were observed at the center. Thereby, it can be confirmed that the optical axis is perpendicular to the liquid crystal layer 5 under no electric field. In this state, the liquid crystal molecules 5a have a spiral structure in which the tilt direction of the liquid crystal molecules 5a rotates with respect to the direction perpendicular to the surface of the substrate 3, and the average optical axis is observed in the direction perpendicular to the surface of the substrate 3 that is the direction of the spiral axis. The
[0128]
Subsequently, a rectangular wave voltage of ± 2000 V and 1 Hz was applied from the power source 50 to the electrode pair 4. At this time, the positions of the cross and the ring of the conoscopic image were reciprocally shifted in the vertical direction at 1 Hz. Although the description is omitted because it is a known technique, it can be seen that the tilt angle of the optical axis is calculated to be about 25 degrees from the NA value of the objective lens of the microscope, the refractive index of the liquid crystal, and the shift amount of the cross position. This confirmed that the tilt angle of the optical axis coincided with the tilt angle θ inherent to the liquid crystal material. The spiral structure of the liquid crystal molecules 5a can be solved by generating an electric field strength of about 200 V / mm between the electrodes 4 so that the liquid crystal molecules 5a are aligned in a uniform direction, and the direction of the optical axis of the liquid crystal layer 5 is ± 25 degrees. It was possible to switch with.
[0129]
(Measurement of transient light scattering)
Next, measurement of transient light scattering will be described. Using the measuring device 60 shown in FIG. 17, the intensity of the transient light scattering time of the light deflection element 10 of FIG. 16 was measured. The measuring device 60 includes a light source (not shown) that emits a He—Ne laser, a polarization plane rotating plate 61 that rotates the polarization plane of the He—Ne laser emitted from the light source, and a crossed Nicols that rotates the polarization plane of the laser light. A polarizing plate 62 and a photodetector 63 for detecting the intensity and time of light emitted from the crossed Nicols polarizing plate 62 are provided. In the measurement, the light deflection element 10 shown in FIG. 16 is set between the polarization plane rotating plate 61 and the crossed Nicols polarizing plate 62. The optical deflection element 10 shown in FIG. 16 is set so that the deflection direction by the optical deflection element 10 matches the polarization direction of the incident light.
[0130]
In the measuring apparatus 60, when laser light emitted from the light source is incident on the light deflection element 10 through the polarization plane rotating plate 61, the liquid crystal molecules 5a in the liquid crystal layer 5 of the light deflection element 10 are uniformly aligned. Then, although the optical path shift phenomenon occurs, there is no rotation or disturbance of the polarization plane, and therefore no light passes through the crossed Nicols polarizing plate 62. That is, no light is detected by the photodetector 63.
[0131]
On the other hand, in the state where transient light scattering occurs in the liquid crystal layer 5 of the light deflection element 10, the polarization plane is disturbed because the orientation direction of the liquid crystal molecules 5a is disturbed. For this reason, light whose polarization plane is rotated is generated, and light that leaks out of the crossed Nicols polarizing plate 62 is generated. The intensity and time of the leaked light are detected by the photodetector 63, and the intensity and time of transient light scattering can be measured.
[0132]
Using the measuring device 60 described above, a rectangular wave voltage of ± 2000 V and 100 Hz is applied from the power source 50 to the electrode pair 4, and the power source 51 is synchronized with a period of ± 0.25 msec from the switching time of the polarity of the rectangular wave voltage. When the intensity and time of the leaked light were measured while applying a pulse voltage of +4000 V and a pulse width of 0.5 msec to the orthogonal electrode pair 11, the detection voltage of leaked light due to transient light scattering was 0.1 mV. The detection time for leaking light was 1 msec.
[0133]
(Observation of optical path shift phenomenon with high-speed camera)
Next, observation of the optical path shift phenomenon with a high-speed camera will be described. A mask pattern (not shown) having an opening of 4 μm square was illuminated from the back surface, and the transmitted light transmitted through the mask pattern was observed through the light deflection element 10 shown in FIG. At this time, it is observed that the position of the mask pattern is shifted by operating the optical deflection element 10 by applying a voltage from the power source 50 to the electrode pair 4, and this shift state is observed with a high-speed camera with a microscope. By observing, the optical path shift amount and its response time were measured.
[0134]
Specifically, a rectangular wave voltage of ± 2000 V and 100 Hz is applied from the power source 50 to the electrode pair 4, and the orthogonal electrode pair is supplied from the power source 51 in synchronization with a period of ± 0.25 msec from the switching time of the polarity of the rectangular wave voltage. Observation with a high-speed camera (time resolution of 40500 frames / second) while applying a pulse voltage of +4000 V and pulse width of 0.5 msec to No. 11, the shift amount is 9 μm, and the response time required for the movement is 1 msec. there were. At this time, it was observed that the movement of the opening pattern H (see FIG. 20) observed through the opening moves relatively clearly so as to draw a slight arc. This is considered to represent that the rotation directions when the liquid crystal molecules 5a are inverted are aligned.
[0135]
Further, the response time of 1 msec is the same as the slight transient light scattering time, and it is considered that unnecessary alignment disorder does not occur when the liquid crystal molecules 5a are inverted. Therefore, it can be seen that an optical deflecting device with little transient light scattering was obtained.
[0136]
Subsequently, a comparative example for the above-described embodiment will be described. In the comparative example, an optical deflection apparatus provided with an optical deflection element 65 having substantially the same configuration as the optical deflection element 10 of the optical deflection apparatus 52 shown in FIG. 16 except that the orthogonal electrode pair 11 and the power source 51 are not installed. In the comparative example, the applied voltage pattern of the electrode pair 4 was also the same as in the example.
[0137]
When measurement was performed using such an optical deflector using the measuring device 60 shown in FIG. 19, the leakage light detection voltage due to transient light scattering was 0.5 mV, and the leakage light detection time was 2 msec. It was found that transient light scattering occurred remarkably.
[0138]
Similarly to the embodiment, when the shift state of the opening pattern H observed through the opening by the high-speed camera was measured, the shift amount was 9 μm and the response time required for the movement was 1 msec. It was found to be identical to the example. However, the movement of the opening pattern H observed through the opening is relatively unclear, and an opening pattern H that spreads out is observed. It was also observed that the image after the movement was slightly blurred. This suggests that the rotation direction when the liquid crystal molecules 5a are inverted is non-uniform, and the alignment is disturbed even after the majority of the liquid crystal molecules 5a have been inverted.
[0139]
【The invention's effect】
According to the optical deflecting device of the first aspect of the present invention, the ferroelectric liquid crystal molecules that form the smectic phase by reversing the electric field direction generated in the direction normal to the substrate surface and in the direction substantially orthogonal to the optical deflection direction. Is rotated in a conical imaginary plane in the smectic layer to reverse the orientation direction, and the tilt direction of the optical axis with respect to the normal direction of the liquid crystal layer is switched to switch the outgoing optical path for the incident light, and the electric field When the orientation direction of at least some liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is reversed in the smectic layer by rotating in the cone-like virtual plane, the rotation direction of each of the rotating liquid crystal molecules is the same direction. By aligning the rotation direction of the liquid crystal molecules to prevent the occurrence of domains due to the difference in the rotation direction, the disorder of the liquid crystal alignment state caused by the inversion movement of the liquid crystal molecules KazuSatoshi, since the transient scattering phenomenon can be minimized, it is possible to prevent the reduction of transmittance and light utilization efficiency.
[0140]
According to a second aspect of the present invention, in the optical deflecting device according to the first aspect, when the ferroelectric liquid crystal molecules are rotated and reversed in a cone-like virtual plane, the normal direction of the substrate surface and the light The orthogonal electric field generated in one direction orthogonal to the direction substantially perpendicular to the deflection direction can control the rotational direction of each rotating liquid crystal molecule to be the same direction, and a transient generated as the liquid crystal alignment direction is reversed. The scattering phenomenon can be reliably reduced practically and the transmittance and light utilization efficiency can be improved.
[0141]
According to a third aspect of the present invention, in the optical deflection apparatus according to the second aspect, the electric field generating means is provided by providing the orthogonal electrode pair in the vicinity of the liquid crystal layer serving as an effective region related to switching of the outgoing optical path with respect to the incident light. Since the orthogonal electric field in one direction perpendicular to the direction of the electric field generated can be generated with a relatively simple configuration, the transient scattering phenomenon that occurs with the reversal of the liquid crystal alignment direction can be reduced with a relatively simple configuration. An optical deflecting device with good transmittance and light utilization efficiency is provided.
[0142]
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical deflecting device according to the third aspect, after an orthogonal electric field is generated, the electric field direction is reversed in a direction substantially perpendicular to the normal direction of the substrate surface and the optical deflection direction. By applying an electric field that aligns the rotation direction to the liquid crystal molecules when the inversion of the molecules starts, the rotation direction of the liquid crystal molecules is reliably aligned to prevent transient scattering and improve transmittance and light utilization efficiency. In addition, the effective switching time can be shortened to increase the switching speed of the light deflection direction. In addition, by terminating the generation of the orthogonal electric field before the reversal of the orientation direction of the liquid crystal molecules started by the reversal of the electric field direction, the generation of the orthogonal electric field that becomes unnecessary once the rotational motion is started in the same direction. Can be promptly terminated, and the optical deflection position can be accurately controlled to provide an optical deflection apparatus with high accuracy of the optical deflection position.
[0143]
According to the light deflecting device of the fifth aspect of the present invention, the deflection of rotating the polarization plane of the light emitted from the first or second light deflecting means substantially at a right angle and making it incident on the second or first light deflecting means. By providing the surface rotation means in the vicinity of the first and second light deflection means, the inclination direction of the optical axis is switched to two systems, and the positional relationship between the electric field directions generated by the first and second electric field inversion means is changed. The first and second liquid crystal layers are made different from each other by making the electric field direction inversion timing by the second electric field inversion means different from the electric field direction inversion timing by the first electric field inversion means. By rotating the electric field in one direction perpendicular to the electric field direction generated by the second electric field generating means via the deflecting surface rotating means, it rotates in the first and second liquid crystal layers without providing a new electrode pair. Direction of rotation of each moving liquid crystal molecule Control the same direction to align the rotation direction of the liquid crystal molecules, prevent the occurrence of domains due to the difference in the rotation direction, minimize the transient scattering phenomenon caused by the inversion movement of the liquid crystal molecules, Reduction of light utilization efficiency can be prevented.
[0144]
According to the light deflection method of the invention described in claim 6, ferroelectric liquid crystal molecules forming a smectic phase by reversal of the electric field direction rotate in a conical imaginary plane within the smectic layer to reverse the alignment direction. In this case, the rotation direction of each rotating liquid crystal molecule is controlled in the same direction to align the rotating direction of the liquid crystal molecules, thereby preventing the occurrence of domains due to the difference in the rotating direction and accompanying the inversion movement of the liquid crystal molecules. It is possible to minimize the transient scattering phenomenon that occurs, and to prevent a reduction in transmittance and light utilization efficiency.
[0145]
According to a seventh aspect of the invention, in the light deflection method according to the sixth aspect, when the ferroelectric liquid crystal molecules rotate in the cone-shaped virtual plane and the orientation direction is reversed, the normal line of the substrate surface is obtained. By generating an electric field perpendicular to the direction of the electric field and the direction of light deflection substantially perpendicular to the light deflection direction, the rotational direction of each of the rotating liquid crystal molecules is practically controlled in the same direction, and the liquid crystal alignment direction The transient scattering phenomenon that occurs with the inversion can be reliably reduced practically, and the transmittance and light utilization efficiency can be improved.
[0146]
According to the image display device of the present invention, the image displayed by the image display element is illuminated by the illuminating means in units of a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field. Claims: The optical path of the incident light is deflected for each subfield by the optical deflecting device, so that the image pattern observed by the optical device is apparently increased from the actual number of pixels, and the display image is highly defined. By using the light deflecting device according to any one of 1 to 5, the transient scattering phenomenon is reduced, the decrease in transmittance and MTF is suppressed, and the time that can be used for display is lengthened to increase the light utilization efficiency. A display device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an optical deflecting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a relationship between an electric field direction in a liquid crystal layer of an optical deflection element and a tilt direction of liquid crystal molecules.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a state of liquid crystal molecules in a liquid crystal layer.
FIG. 4 is a schematic diagram for two-dimensionally explaining how one end of a liquid crystal molecule rotates in a virtual cone-shaped plane.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a tilted state of liquid crystal molecules in the light deflection element.
FIG. 6 is a horizontal sectional view for explaining a rubbing direction of a vertical alignment film.
7A is a horizontal sectional view showing an optical deflector according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. 7B and 7C are longitudinal sectional views thereof.
FIG. 8 is a perspective view showing an optical deflection element of an optical deflection apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a relationship between an electric field direction in a liquid crystal layer of an optical deflection element and a tilt direction of liquid crystal molecules.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a relationship between an electric field direction and a liquid crystal molecule tilt direction in a liquid crystal layer of an optical deflection element according to another embodiment.
FIG. 11 is a perspective view showing an optical deflection element of an optical deflection apparatus according to another embodiment.
FIG. 12 is a perspective view showing an optical deflection element of an optical deflection apparatus according to another embodiment.
FIGS. 13A and 13B show an optical deflector according to a fourth embodiment of the present invention, in which FIG. 13A is a perspective view thereof, and FIG. 13B is an exploded perspective view thereof.
FIG. 14 is a timing chart illustrating the timing of voltage application to each electrode pair.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a movement state of an illumination area observed by a light deflection operation.
FIG. 16 is a timing chart illustrating the timing of voltage application to each electrode pair included in the light polarization element of the light deflection element according to the fifth embodiment of the invention.
FIG. 17 is a schematic view showing an image display apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an explanatory diagram illustrating an optical deflecting element of an example.
FIG. 19 is a schematic view showing a measuring apparatus.
FIG. 20 is an explanatory diagram showing a movement state of the opening pattern.
[Explanation of symbols]
2 Electric field inversion means
3 Substrate
5 Liquid crystal layer
5a First liquid crystal layer
5b Second liquid crystal layer
11 Orthogonal electrode pair
20a First light deflecting means
20b Second light deflecting means
21 Polarization plane rotating means
30 Image display device
31 Illumination means
35 Image display element
36 Optical devices
39 Optical deflection device
40 Display drive means

Claims (8)

透明な一対の基板と、
前記基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相を形成可能な液晶層と、
前記基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に電界を発生させる電界発生手段と、
前記電界発生手段が発生させる電界方向を反転させる電界反転手段と、
前記電界反転手段による電界方向の反転によりスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動して配向方向を反転する液晶層内の少なくとも一部の液晶分子の回転方向を同一方向に制御する回転方向制御手段と、
を具備する光偏向装置。
A pair of transparent substrates;
A liquid crystal layer capable of forming a chiral smectic C phase having a homeotropic alignment filled between the substrates;
An electric field generating means for generating an electric field in a direction substantially perpendicular to the normal direction and the light deflection direction of the substrate surface;
Electric field reversing means for reversing the electric field direction generated by the electric field generating means;
Rotation for controlling the rotation direction of at least some liquid crystal molecules in the liquid crystal layer to rotate in the cone-like virtual plane in the smectic layer and reverse the alignment direction by reversing the electric field direction by the electric field inverting means. Direction control means;
An optical deflection apparatus comprising:
前記回転方向制御手段は、前記電界反転手段による電界方向の反転に際して、前記電界発生手段が発生させる電界方向に直交する直交電界を発生させる請求項1記載の光偏向装置。2. The optical deflection apparatus according to claim 1, wherein the rotation direction control means generates an orthogonal electric field orthogonal to the electric field direction generated by the electric field generation means when the electric field direction is inverted by the electric field inversion means. 前記回転方向制御手段は、前記液晶層近傍に配置されて前記直交電界を発生させる直交電極対と、この直交電極対に電圧を印加する直交電圧印加手段とを有する請求項2記載の光偏向装置。3. The optical deflecting device according to claim 2, wherein the rotation direction control unit includes an orthogonal electrode pair that is disposed in the vicinity of the liquid crystal layer and generates the orthogonal electric field, and an orthogonal voltage application unit that applies a voltage to the orthogonal electrode pair. . 前記回転方向制御手段は、前記電界反転手段による電界方向の反転の直前に前記直交電圧印加手段による前記直交電界を発生させ、該電界方向の反転による液晶分子の配向方向の反転が終了する以前に前記直交電圧印加手段による前記直交電界の発生を終了させる請求項3記載の光偏向装置。The rotation direction control means generates the orthogonal electric field by the orthogonal voltage application means immediately before the electric field direction is inverted by the electric field inversion means, and before the reversal of the alignment direction of the liquid crystal molecules by the inversion of the electric field direction is completed. The optical deflection apparatus according to claim 3, wherein the generation of the orthogonal electric field by the orthogonal voltage applying unit is terminated. 透明な一対の基板と、前記基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相を形成可能な第一の液晶層と、前記基板面の法線方向および光偏向方向に略直交する方向に電界を発生させる第一の電界発生手段と、前記第一の電界発生手段が発生させる電界方向を反転させる第一の電界反転手段と、を具備する第一の光偏向手段と、
透明な一対の基板と、前記基板間に充填されてホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相を形成可能であり第一の液晶層の法線方向と略一致する法線方向を有する第二の液晶層と、前記基板面の法線方向、光偏向方向および前記第一の電界発生手段が発生させる電界方向に略直交する方向に電界を発生させる第二の電界発生手段と、前記第二の電界発生手段が発生させる電界方向を反転させる第二の電界反転手段と、を具備して前記第一の光偏光手段の近傍に配設される第二の光偏向手段と、
前記第一、第二の光偏向手段間に配設されて前記第二の偏光手段への入射光の偏光面を前記第一の光偏向手段からの出射光に対して略直角に回転させる偏光面回転手段と、
前記第一の電界反転手段による電界方向の反転タイミングに対して、前記第二の電界反転手段による電界方向の反転タイミングを異ならせるタイミング調整手段と、
を具備する光偏向装置。
A pair of transparent substrates, a first liquid crystal layer capable of forming a chiral smectic C phase filled between the substrates and forming a homeotropic alignment, and a direction substantially orthogonal to the normal direction and the light deflection direction of the substrate surface A first light deflecting means comprising: a first electric field generating means for generating an electric field; and a first electric field inverting means for inverting the electric field direction generated by the first electric field generating means;
A pair of transparent substrates and a second liquid crystal that can be formed between the substrates and can form a chiral smectic C phase having homeotropic alignment and has a normal direction substantially coincident with the normal direction of the first liquid crystal layer A second electric field generating means for generating an electric field in a direction substantially perpendicular to the normal direction of the substrate surface, the light deflection direction, and the electric field direction generated by the first electric field generating means, and the second electric field A second electric field inverting means for inverting the electric field direction generated by the generating means, and a second light deflecting means disposed in the vicinity of the first light polarizing means,
Polarized light that is disposed between the first and second light deflecting means and rotates the plane of polarization of incident light to the second polarizing means approximately at right angles to the light emitted from the first light deflecting means. Surface rotation means;
Timing adjustment means for making the inversion timing of the electric field direction by the second electric field inversion means different from the inversion timing of the electric field direction by the first electric field inversion means,
An optical deflection apparatus comprising:
透明基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相を形成可能な液晶層に直線偏光の光を入射させ、前記基板面の法線方向および前記光偏向方向と略直交する方向に発生させる電界方向を反転させることにより入射光に対する出射光の偏向方向を切り換える光偏向方法において、
電界方向の反転により液晶層内の少なくとも一部の液晶分子がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動して配向方向を反転する際に、反転する各液晶分子の回転方向を同一方向に制御するようにしたことを特徴とする光偏向方法。
Linearly polarized light is incident on a liquid crystal layer capable of forming a homeotropically aligned chiral smectic C phase filled between transparent substrates, and is generated in a direction substantially perpendicular to the normal direction of the substrate surface and the light deflection direction. In the light deflection method for switching the deflection direction of the outgoing light with respect to the incident light by reversing the electric field direction,
When at least some of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer rotate in a cone-like virtual plane in the smectic layer by reversing the direction of the electric field to reverse the alignment direction, the rotation direction of each liquid crystal molecule to be reversed is the same direction. An optical deflection method characterized in that the control is performed.
前記基板面の法線方向および前記光偏向方向と略直交する方向に発生させる電界方向に直交する電界を発生させることにより、液晶分子の回転方向を同一方向に制御するようにしたことを特徴とする請求項6記載の光偏向方法。The rotation direction of the liquid crystal molecules is controlled in the same direction by generating an electric field orthogonal to an electric field direction generated in a direction substantially orthogonal to the normal direction of the substrate surface and the light deflection direction. The light deflection method according to claim 6. 画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列される画像表示素子と、
前記画像表示素子を照明する照明手段と、
前記画像表示素子が表示する画像パターンを観察するための光学装置と、
画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド単位で前記画像表示素子を駆動する表示駆動手段と、
前記画像表示素子の各画素からの出射光の光路を前記サブフィールド毎に偏向する請求項1ないし5のいずれか一に記載の光偏向装置と、
を具備する画像表示装置。
An image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are arranged two-dimensionally;
Illuminating means for illuminating the image display element;
An optical device for observing an image pattern displayed by the image display element;
Display driving means for driving the image display element in units of a plurality of subfields obtained by temporally dividing an image field;
The light deflecting device according to any one of claims 1 to 5, wherein an optical path of light emitted from each pixel of the image display element is deflected for each subfield;
An image display device comprising:
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