JP4022096B2 - 光偏向素子及び画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光偏向素子及び画像表示装置に関し、さらに詳しくは、光の偏向を用いる光学素子及び該光学素子を利用した画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光の非干渉性、並列性を利用して光ビームの空間接続を実現するために、光のスイッチングは重要な基本技術の一つである。この光スイッチングに要求される機能としては、信号光の透過、遮断を制御するシャッタ機能とともに、光の進行方向を制御する光偏向技術、即ち光路変換機能が挙げられる。ここで、光偏向技術としては、音響光学的手段によるもの、電気光学効果によるものなどがある。例えば音響光学偏向は、超音波ひずみによる物質の屈折率変化を用いた効果を利用したものである。一例を示すと、ＬｉＮｂＯ３などの超音波媒体に超音波トランスデューサを接着あるいは作り付け、該超音波媒体に超音波を伝搬させ、この超音波による歪を介して媒体の屈折率が媒体中で周期的に起こり、一種の回折格子が形成されることにより、入射光が回折され出射光の出力角が制御できる。
しかし、音響光学偏向は、高い偏向効果、比較的速い偏向速度が得られるという利点を有する反面、偏向角が大きく取れない、高い駆動電圧が必要、２次元化が困難でマトリクス駆動が難しい等の欠点があった。
また、電気光学偏向は光偏向素子として、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ）、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、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、ＳｒＴｉＯ３、ＣＳ２、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が知られている（青木昌治編；「オプトエレクトロニックデバイス」、昭晃堂、参照）。しかし、これらは、十分大きな光偏向量を得るために光路長を長くする必要があり、また、素子材料が高価であるため用途が制限されている。また一方で、液晶材料を用いた光偏向素子も各種提案されており、公開された従来例として、例えば、特開平６−１８９４０号公報による発明では、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について開示されている。それによると、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、及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するものである。
【０００３】
また、特開平９−１３３９０４号公報による発明では、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について開示されている。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相の強誘電性液晶を封入し、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。
他に光偏向素子を用いた例では、特開平５−２０４００１号公報に低電圧で駆動でき２次元化、小型化を目的に光偏向装置について開示されている。これによると、一対の透明基板間に複屈折性を有する液晶を保持しており、該透明基板の一方に鋸歯状格子が形成されている。保持されている液晶は鋸歯状格子の刻線方向にホモジニアス配向しており、液晶の長軸あるいは短軸のいずれかの屈折率は鋸歯状格子を形成する材料の屈折率と一致している。入射光は偏向回転装置の制御に応じて偏光方向が９０°回転でき、入射光の偏光状態に応じて出射光の方向を切り替えることが可能である。また、類似した構成で特開平９−１３３９３１号公報による発明では、基板の一方の面に鋸歯状格子が形成されている２枚の透明基板を有し、それら鋸歯状格子は各々反対方向を向き、同一形状、同一の屈折率をもっている光偏向装置などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報による発明においては、光が偏向する原理として主に液晶材料の複屈折性、入射光に対するセル基板の傾斜に基づいている。そのため、鋸歯状格子を形成している場合、鋸歯形状によって光偏向の方向に問題が生じる場合がある。例えば、鋸歯形状の頂点部が緩やかな曲面になっている場合、頂点部に入射した光は集光、または散乱してしまい、所望の光偏向の方向とは異なった方向に偏向されそれが漏れ光となっていた。また、鋸歯形状には緩やかな傾斜角と急な傾斜角の２つの傾斜角が存在する。そして急な傾斜角の角度が緩やかになるにつれて、光偏向の方向は１方向ではなく、２方向になるといった問題がある。
また、鋸歯形状を実際に形成する場合、フォトリソグラフィ、エッチング等の方法で形成することが可能であるが、光偏向の方向が１方向となるような精度の高い鋸歯形状アレイ、特にピッチの小さいもの、アレイ数の多いものを形成することは困難である。
本発明は、かかる課題に鑑み、光偏向の方向が１方向でない場合、所望の偏向方向とは異なった方向に進む漏れ光に対応した位置に遮光部を設けることによって、漏れ光を遮光し光偏向の方向を１方向にする光偏向素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、一方の基板の片面に、第一の傾斜部と第二の傾斜部とが交互に配設された鋸歯形状を備えた一対の透明基板と、該透明基板間に挟持され電圧印加条件によって配向状態が変化する液晶層と、前記一対の透明基板への電圧印加条件を制御する光偏向電圧制御手段とを備えた光偏向素子において、 前記鋸歯形状の第一の傾斜部もしくは第二の傾斜部からなる一方の傾斜部に遮光部を設け、前記光偏向電圧制御手段が前記一対の透明基板への電圧印加条件を変化させることにより、前記液晶層の配向状態を変化させて、入射光を偏向させる際に、前記遮光部にて漏れ光を遮光することを特徴とする。
入射光の入口に設けられた透明基板の鋸歯形状は、入射光から見れば、光軸に対して所定の角度で傾斜している。従って、液晶層の配向状態を入射光が偏向されるように配向した場合、夫々の界面により偏向方向が異なる。つまり、偏向される方向が２方向になり、何れか１方向の光は漏れ光となる。この漏れ光の方向にある透明電極の出射光側に、この漏れ光を遮光する遮光部を設けることにより、出射光の方向を１方向とすることができる。
かかる発明によれば、液晶層の配向状態を入射光が偏向されるように配向した場合、鋸歯形状が形成されている透明基板の光偏向方向の一方の光が遮光部により遮光されるので、漏れ光を遮光し、出射光を１方向から出射することができて、コントラストのよい画像を形成することができる。また、漏れ光となる位置の入射光を遮光することにより、偏向後の散乱光の影響を少なくして偏向方向を均一にすることができる。
【０００６】
請求項２は、前記鋸歯形状が形成されている透明基板の鋸歯部が前記液晶層を前記光出射側透明基板で狭持するためのスペーサーを兼ね、前記鋸歯形状が形成されている透明基板は前記光出射側透明基板と接触する部分を非電極部とすることを特徴とする。
対に形成された透明基板で狭持する液晶層の厚みは均一であることが好ましい。そして、この均一性を維持するために対の透明基板間にスペーサが必要となる。また、スペーサの厚さにより素子の厚さが決定される。そのため、可能な限りスペーサの厚さは薄いほど全体を薄くすることができる。そこで、透明基板の光入射側の透明基板が鋸歯形状していることを利用して、その鋸歯部の高さを利用してスペーサとして兼ねることにより、セルギャップの最小化、均一化を同時に満たすことができる。ここで注意しなければならないことは、一対の透明電極間に外部から制御電圧を印加するため、透明電極間がショートしてはならないことである。そこで、一方の透明電極の透明電極部同士が接触する部分を非電極部とすることによりこれを防ぐことができる。
かかる発明によれば、透明電極の鋸歯部の高さを利用してスペーサと兼ねることにより、セルギャップの最小化、均一化を同時に満たすことができる。
【０００７】
請求項３は、前記遮光部が絶縁材料で形成されていることを特徴とする。
透明電極のショートを避けるために、遮光部を利用してその遮光部を若干大きくして一対の透明電極間にギャップを設け、しかも、遮光部を絶縁材料とすることである。
かかる発明によれば、絶縁材の遮光部を利用してその遮光部を若干大きくして一対の透明電極間にギャップを設けることにより、鋸歯形状基板にパターニング電極を形成する必要はなく、ベタ電極でもショートしない。そのため、素子作製プロセスが比較的簡単で、歩留りよくセルギャップの最小化、均一化を同時に満たす光偏向素子を作製することができる。
請求項４は、前記遮光部が光吸収体で形成されていることを特徴とする。
遮光部が光を反射する材質からなる場合、遮光部によって漏れ光が遮光されるときに漏れ光は反射し、２次、３次の漏れ光を発生させる。
かかる発明によれば、遮光部に黒い光吸収体を設けることで２次、３次の漏れ光を防ぎ、コントラスト低下を防止することができる。
【０００８】
請求項５は、画像情報に従って光の透過または反射を選択的に制御する複数の画素が二次元配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンの光路を偏向する請求項１乃至４に記載の光偏向素子と、該光偏向素子により偏向された光画像をスクリーン上に焦点を結ぶ光学部材と、前記画像を投影するスクリーンとを備え、前記光偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示することを特徴とする。
光路偏向素子の透明電極アレイは紙面の上下方向にライン状に形成されている。画像表示素子を出射した光が紙面に左右方向の直線偏光の場合、画像表示素子の全体を紙面の左右方向に画素シフトさせることができる。このような遮光部を設けた光路偏向素子を用いることで、画面の横方向シフトすることにより、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。
かかる発明によれば、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示するので、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。
請求項６は、前記光学部材の１つが投射レンズであって、該投射レンズの焦点位置近傍に前記画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口を有する遮光部を備えたことを特徴とする。
かかる発明によれば、投射レンズの焦点位置に画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部を設けることで、更にコントラストの良い画像を表示することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
前記従来例で説明したように、鋸歯形状基板の鋸歯部の形成方法としては、ガラス基板をエッチングするか透明プラスチック材料を射出成形等により加工する方法がある。何れの形成方法にしても、正確な鋸歯形状（理想的な鋸歯形状は直角三角形）で微小な鋸歯形状アレイを形成することは難しい。また、ガラス基板をエッチングして形成する場合、形成された鋸歯形状は鋸歯エッジが曲線になったり、鋸歯をなす２つの傾斜角度の大きさが近い大きさ（鋸歯形状が二等辺三角形に近くなる）になり、このような鋸歯形状は光偏向方向を複数にしてしまう。また、鋸歯のエッジに相当する個所は液晶配向の乱れが生じやすいといった問題がある。
そのため、本発明ではこれらの問題となる部分を光が通過しないように遮光部を設けて遮光することを特徴としている。図１は、鋸歯をなす２つの傾斜角度の大きさが近い大きさとなる鋸歯状基板を用いた光偏向素子の構成例及び偏向動作を説明するための図である。前述したように液晶の配向状態によって、入射光１は直進するか偏向される。図１（ａ）の液晶分子の配向状態４は入射光１の偏光方向に対して屈折しないように配向しているため、入射光１は偏向されずそのまま直進する。また、図１（ｂ）の液晶分子の配向状態１０は入射光の偏光方向に対して屈折するように配向しているため、入射光１は偏向される。光の偏向方向は鋸歯傾斜部２に起因するので、鋸歯形状に緩やかな傾斜角の傾斜部が２箇所になる場合（鋸歯をなす２つの傾斜角の大きさに大きな差がない場合）、図１（ｂ）に示すように偏向方向が光８と光９の２方向になり１方向は漏れ光８となり、他の１方向は偏向光９となる。
【００１０】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。これは、鋸歯形状が形成されている透明基板１３と、この透明基板１３に形成された透明電極１４と、透明基板１３と対をなす透明基盤８と、これに形成された透明電極１７と、透明基板１３と透明基板１８に挟持され電圧印加条件によって配向状態が変化する液晶層１５と、前記一対の透明基板への電圧印加条件を制御する図示しない光偏向電圧制御手段と、液晶層１５から出射される光の一部を遮光する遮光部１６から構成されている。前述のように光偏向素子が偏向作用を及ぼす時、その偏向方向が１方向以上となる場合は、図２に示すように漏れ光となる光１９が出射光とならないように、漏れ光１９に対応した位置に遮光部１６を設けて遮光することで、出射側では光２０のみの偏向方向が１方向になり、入射光を均一に偏向することができるようになる。
ここで、遮光部１６の材質は光の透過を防ぐものから選ばれ、例えばＡｌ、Ｃｒ等の金属、カーボンを添加したアクリル樹脂、レジスト材料などの有機材料、あるいはカーボン単体などがある。また、遮光部１６の形成は、漏れ光に対応した遮光パータンマスクを用いてフォトリソ、スパッタリングなどにより行なうことができる。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図３が図２と異なる点は、遮光部１６の設ける位置を、図３に示すように光出射側の基板１８（液晶層を挟む基板の液晶層と反対側の面）にする点である。このことで、素子作製後でも遮光部を設けることができ、位置精度よく遮光部を形成することができる。また、プリントなどの簡単な加工工程が可能である。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図４が図２と異なる点は、光入射側の基板（鋸歯形状基板）１３に遮光部１６を設けた点である。このように偏向方向が２方向になる場合、図２、３のように液晶層１５を狭持している鋸歯形状基板１３と鋸歯形状基板と対向している対向基板１８の対向基板１８に遮光部１６を設けると、漏れ光にならない偏向光も一部遮光してしまう。さらに、偏向光は鋸歯形状の面粗さ、鋸歯頂点部などにより散乱されるため、遮光部面積を少し大きくする必要がある。しかし、図４に示すように光入射側の基板（鋸歯形状基板）１３に遮光部１６を設けることによって、漏れ光となる前の光１１（偏向前の光）を遮光できるため、鋸歯形状面１４による散乱の影響はほとんどない。よって、遮光部１６は比較的小さな遮光部面積ですみ、光利用効率の低下を抑える事ができる。
【００１１】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図５が図４と異なる点は、漏れ光を発生させる鋸歯形状基板１３の鋸歯傾斜部面１４ａに遮光部１６を設けた点である。これにより、漏れ光となる偏向光１１のみを確実に遮光できるため、光利用効率の低下を最少に抑える事ができる。
図６は、本発明の第５の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。（ａ）は光偏向素子の概略構成図であり、（ｂ）は透明電極パターン図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。この光偏向素子の構成は、鋸歯状基板１３の鋸歯部１４と対向基板１８が接しており、液晶層１５のギャップが鋸歯形状基板１３の鋸歯部の高さｈに設定される。鋸歯形状はアレイ状であるため、素子のギャップを均一化でき、かつスペーサを用いないので最小ギャップを確保できる。ここで、鋸歯形状基板１３に形成される透明電極１４は（ｂ）に示すように鋸歯形状のエッジ部２１以外に形成されるようにパターニングするため、対向電極１７とのショートの心配はない。鋸歯形状基板１３と対向基板１８が接する部分にのみ電極が形成されていなければよいので、対向基板１８にパターン電極を形成してもよい。
図７は、本発明の第６の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。（ａ）は光偏向素子の概略構成図であり、（ｂ）は透明電極図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。これは、遮光部１６が絶縁体の場合、鋸歯形状のエッジ部まで遮光することで、図７（ｂ）に示すように鋸歯形状基板１３に形成される透明電極１４はパターニングすることなしにベタ電極でよい。絶縁体よりなる遮光部としてはアクリル樹脂、レジスト材料などを用いることができる。
【００１２】
図８は、本発明の第７の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。ここで遮光部が金属などの光を反射する材質である場合、遮光部により遮光される漏れ光は反射されて２次、３次の漏れ光になる可能性がある。そのため、図８に示すように光吸収体２２よりなる遮光部を設けることによって、２次、３次の漏れ光を防ぐことができ、コントラストの低下を防止することができる。ここでいう光吸収体とは、光を完全に吸収する必要はないが、上記反射光成分による不具合を発生させない程度の光吸収性能を持っている必要がある。光吸収体としては、黒色色素の顔料を含有しているレジスト材料、染色されたゼラチンのようなもの等を用いることができる。前記レジスト材料は顔料の色素の割合を変化させることで可視光吸収率を調整することができる。そこで、顔料の色素の割合を変化させて反射光による不具合をみたところ、可視光吸収率が６０％より大きいときには、反射光による不具合がほとんど見られなくなった。つまり、光吸収体の特性としては、可視光域での光反射率が４０％以下のものであれば使用することができる。
図９は、本発明の第８の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。鋸歯状基板１３において、所定の光偏向を生じせしめる傾斜部以外の領域に光を入射させないための構造を、光偏向素子の光入射側にとることも漏れ光を抑える上で有効である。 この１つの構造としては光偏向素子の光入射側に集光素子２３を設けたものが適しており、入射光を上記傾斜部に集めることができる。図９のように光入射側にマイクロレンズ２３ａとコリメートレンズ２３ｂなどの集光および平行光学レンズアレイを設け、漏れ光となる光が集光されて遮光部での吸収、反射の影響を受ける光が少なくなるようにして光利用効率を良くすることができる。マイクロレンズ２３ａおよびコリメートレンズ２３ｂの設置は、漏れ光となる光が最小になるように設置される。例えば、遮光部間の開口部に対応して設置され、マイクロレンズ２３ａおよびコリメートレンズ２３ｂを透過した光２４が開口部に収束する特性をもつようにレンズアレイ２３のピッチは配列される。
【００１３】
次に、前記図２から図９の光偏向素子を用いた画像表示装置について詳細に説明する。図１０は、本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成図である。この画像表示装置は、ＬＥＤランプやレーザー光源、白色のランプ光源にシャッターを組合わせた光源５０と、光源からの光束を均一化する拡散板５１と、画像表示素子をクリティカル照明するコンデンサレンズ５２と、入射した均一照明光を選択的に反射または透過することにより空間光変調する透過型液晶ライトバルブ５３と、このライトバルブ５３の表示画素を縮小する縮小光学素子６１と、画像光の光路を偏向する本発明の光路偏向素子５４と、拡大してスクリーンに投射する投射レンズ５５と、拡大された投射光を表示するスクリーン５６と、光源を制御する光源駆動手段５７と、透過型液晶ライトバルブ５３を駆動制御する表示駆動手段５８と、光路偏向素子５４を駆動制御する光偏向電圧制御手段５９と、全ての制御を司る画像表示制御回路６０から構成されている。
尚、光源としては、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦ出来るものならば全て用いることができる。例えば、ＬＥＤランプやレーザー光源、白色のランプ光源にシャッターを組合わせたものなど用いることが可能である。照明装置は光源から出た光を均一に画像表示装置に照射するものであり、拡散板５１、コンデンサレンズ５２などから構成される。画像表示素子は、入射した均一照明光を選択的に反射または透過することにより空間光変調して出射するもので、透過型液晶ライトバルブ５３や、その他反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
【００１４】
次に、この概略動作について説明する。光源駆動手段５７で制御されて光源５０から放出された光は、拡散板５１により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ５２により画像表示素子をクリティカル照明する。ここでは、画像表示素子の一例として透過型液晶ライトバルブ５３を用いている。この透過型液晶ライトバルブ５３で空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ５５で拡大されスクリーン５６に投射される。縮小光学素子６１はライトバルブの表示画素を縮小するもので、マイクロレンズ、コリメートレンズなどから構成される。その縮小量は画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。ここで、透過型液晶ライトバルブ５３と縮小光学素子６１の後方に配置された光路偏向素子５４を光偏向電圧制御手段５９により印加電圧を制御することで、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。光偏向素子５４の配置位置は画像表示装置から表示される画素のデフォーカス位置に配置し、表示画像の解像度を劣化させない構成とする。図１０では、透過型液晶ライトバルブ５３と縮小光学素子６１の直後に光路偏向素子５４を設置しているが、この位置には限定されず、スクリーン５６の直前などでも良い。但し、スクリーン付近に設置する場合、光路偏向素子５４の大きさや透明電極ピッチ、遮光部ピッチなどは、その位置での画面サイズや画素サイズに応じて設定される。いずれの場合でも、シフト量は画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行う場合は画素ピッチの１／２にし、３倍の画素増倍を行う場合は画素ピッチの１／３にする。また、光路偏向電圧制御手段５９の構成によってシフト量が大きくなる場合には、シフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の１）の距離に設定しても良い。いずれの場合も、画素のシフト位置に対応したサブフィールドの画像信号で透過型液晶ライトバルブ５３を駆動し、図１１のように見かけ上の画素増倍効果が得られ、使用したライトバルブの解像度以上の高精細でコントラストの良い画像を表示することができる。
【００１５】
図１２に光偏向素子の配置の概略を示す。光偏向素子７２の鋸歯形状は紙面の上下方向にアレイ状に形成されている。画像表示素子７１を出射した光が紙面に上下方向の直線偏光の場合、画像表示素子７１の全体を紙面の左右方向に画素シフトさせることができる。このような遮光部を設けた光偏向素子７２を用いることで、画面の横方向シフトにおいて高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。また、投射レンズ５５の焦点位置に図１２に示すような画像表示素子７１からの表示画素に対応した開口をもった遮光部７７を設けることで、縮小光学素子、光偏向素子などの影響により、表示される画素の形が変形するような場合でも、画素の形を整えて表示することができ、更にコントラストの良い画像を表示できる。
【００１６】
【実施例】
以下に液晶セル作製法の実施例について説明する。
ステップ１：
石英ガラス基板上に、グレーティングマスク（大日本印刷製）を用いてフォトレジスト、ドライエッチングにより、鋸歯状アレイを加工した。加工した鋸歯形状を図１３に示す。レジスト材（東京応化製）はスピンコーターにより膜厚２μｍで形成し、フォトレジストの露光はマスク上に拡散板を設け、整合、露光量の条件を最適化して露光した。マスクは４μｍのピッチで線幅を０．５〜４μｍ（０．５μｍ間隔）に変化させたパターンが配列されており、１パターンが１つの鋸歯形状（ピッチ１１０μｍ）に対応している。
ステップ２：
大きさ４ｃｍ×５ｃｍ、厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板と大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ３ｍｍのノンアルカリガラス基板を用い、両基板の片面に透明電極としてＩＴＯ（膜厚１４００Å）を形成した。
ステップ３：
基板のＩＴＯ側にポリイミド系の配向材料（ＡＬ３０４６−Ｒ３１、ＪＳＲ社）をスピンコートし、約０．３μｍの配向膜を形成した。ガラス基板のアニール処理後、鋸歯形状に対して直角方向にラビング処理を行った。
ステップ４：
１：１００の割合で４μｍの真絲球とＵＶ硬化接着剤（３０５２ スリーボンド製）を混合したものを加工した鋸歯形状にかからないよう注意して、二枚のガラス基板の間に塗布した。上下基板を張り合わせ（電極面は対向させる）加圧した後、ＵＶを照射し空セルを作製した。
ステップ５：
ホットプレート（９０℃）上で、空セルの中に自発分極が正の強誘電液晶（ＣＳ−１０２９、チッソ社）を毛細管法により注入した。その後、ホットプレートをＯＦＦにして常温（２５℃）になるまで放置し、ＵＶ硬化接着剤で封止をして液晶セルを作製した。上下基板のラビング処理の方向は一致しているため、液晶分子は基板に対して平行で全て同じ向きに配向（ホモジニアス配向）した状態となる。
【００１７】
（比較例１）
前述した液晶セル作製法により作製したセルをサンプル１とする。
（実施例１）
前述した液晶セル作製法と同様にしてセルを作製した。セル作製後、ＩＴＯ電極の形成されている反対の面に遮光部として黒いインクを２４μｍのライン幅でプリント加工した。遮光部を設ける位置は傾斜部２に起因する漏れ光を遮光する位置にプリントした。このセルをサンプル２とする。
（実施例２）
前述した液晶セル作製法において、ＩＴＯ蒸着後、ＩＴＯ電極面側にレジスト材料（ＣＦＰＲ ＢＫ−７４８Ｓ、東京応化）をスピンコートにより塗布し、鋸歯形状に対応している１１０μｍピッチで２４μｍ幅のストライプ状の開口部をもったマスクパターンを用いて、傾斜部（２）に対応する位置へレジストを形成した。他の作製工程は同様にして、セルを作製した。レジスト材料（カラーフィルタ作成用顔料分散型ネガタイプ）には黒色色素の顔料を含有しているため、遮光作用をもっている。このセルをサンプル３とする。
（実施例３）
前述した液晶セル作製法において、鋸歯形状を加工した石英ガラス基板にＩＴＯ透明電極を形成する場合、１１０μｍピッチで３μｍ幅のストライプ状の開口部をもったマスクパターンを用いてＩＴＯ電極を形成した。ステップ４の張り合わせではスペーサとなる真絲球を用いずＵＶ硬化接着剤のみで基板を張り合わせた。その他は実施例２と同様にしてセルを作製した。このセルをサンプル４とする。
【００１８】
（実施例４）
作製した液晶セルに電圧を印加して動作させる。印加電圧はファンクションジェネレイターを用いて±１６Ｖの電圧を印加した。入力波形は矩形波とし、電圧値はテスターで確認した。セルへの入射光は１ｍｍ径のレーザー光（６３３ｎｍ）を用い、入射光は偏光板で直線偏光に変換し、セルの鋸歯形状アレイ位置へ入射させた。入射光の偏光方向は鋸歯形状と平行になるように設定した。液晶セルを動作させ、そのセルを通過する透過光をＣＣＤカメラにより観察した結果、電圧によって透過光が偏向することを確認した。しかし、偏向後の透過光はサンプル１では２つに分かれ、サンプル２、３、４では分かれなかった。よって、漏れ光に対応した遮光部をもうけることによって、偏向光の方向を均一にできることがわかる。サンプル１とサンプル２、３、４の観察結果を下表にまとめる。
（実施例５）
サンプル２とサンプル３において、対向基板に遮光部を設置した場合と、鋸歯形状基板に遮光部を設置した場合のセル透過光の光量エネルギーを比較した結果を下表に示す。
鋸歯形状基板に設置した場合の方が光量が３．７％大きかった。よって、鋸歯形状基板に遮光部を設けた方が光利用効率がよい。
（実施例６）
サンプル３とサンプル４のセルギャップについて、鋸歯形状周辺の１ｍｍ×１ｍｍ範囲を縦横方向で等間隔に５点づつ、顕微偏光分光光度計（オーク社）により測定した
スペーサとして真絲球を用いたセルギャップのばらつきは±２μｍ、真絲球を用いず、鋸歯形状をスペーサとしたときのセルギャップのばらつきは±１μｍであった。このことから鋸歯形状をスペーサとして用いたセルの方がギャップを均一化できる。
【００１９】
（実施例７）
図１０のような画像表示装置を作製した。画像表示素子として対角０．９インチＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）のポリシリコンＴＦＴ液晶パネルを用いた。画素ピッチは縦横ともに約１８μｍである。画素の開口率は約５０％である。また、画像表示素子の光源側にマイクロレンズアレイを設けて照明光の集光率を高める構成とした。光源としては白色ランプを用い、カラーフィルタを各画素表面に設けた透過型液晶ライトバルブにより、カラー表示を行なった。また、マイクロレンズ、コリメートレンズを用いて縮小光学素子を構成し、液晶ライトバルブの直後に設置して、画素位置との位置合わせを調整した。実施例１で作製したサンプル２を２つ用い、２つの光偏向素子を光進行方向上に配設させて光偏向デバイスを構成にしたものをサンプル５とし、縮小光学素子の後に設置した。サンプル５の中間基板の厚さはシフト量が９μｍになるように調整した。また、液晶セルの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合わせて、出射面での拡散光を拡大し、表示画像を観察した結果、横方向の画素密度が二倍の高精細でコントラストのよい画像が得られた。
（実施例８）
実施例７と同様の画像表示装置の構成に、表示画素に対応した開口をもつブラックマトリックスの遮光部を設け、表示画像を観察した結果、実施例７の表示画像よりもコントラストのよい画像が得られた。
【００２０】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、液晶層の配向状態を入射光が偏向されるように配向した場合、鋸歯形状が形成されている透明基板の光偏向方向の一方の光が遮光部により遮光されるので、漏れ光を遮光し、出射光を１方向から出射することができて、コントラストのよい画像を形成することができる。また、漏れ光となる位置の入射光を遮光することにより、偏向後の散乱光の影響を少なくして偏向方向を均一にすることができる。
また遮光部を出射側の透明基板と液晶が接する面に設けるので、素子作製プロセスにおいて、遮光部の形成が比較的簡単で、位置精度良く遮光部を設置することができる。
また、遮光部を出射側の透明基板と液晶が接する面の裏面に設けるので、素子作製プロセスにおいて、遮光部の形成が比較的簡単で、位置精度良く遮光部を設置することができ、素子作製後でも遮光部を設けることができる。
また、透明基板の鋸歯形状の何れかの傾斜部に遮光部を設けたので、漏れ光となる偏向光のみを確実に遮光できるため、光利用効率の低下を最少に抑えることができる。
また請求項２では、透明電極の鋸歯部の高さを利用してスペーサと兼ねることにより、セルギャップの最小化、均一化を同時に満たすことができる。
また請求項３では、絶縁材の遮光部を利用してその遮光部を若干大きくして一対の透明電極間にギャップを設けることにより、鋸歯形状基板にパターニング電極を形成する必要はなく、ベタ電極でもショートしない。そのため、素子作製プロセスが比較的簡単で、歩留りよくセルギャップの最小化、均一化を同時に満たす光偏向素子を作製することができる。
【００２１】
また請求項４では、遮光部に黒い光吸収体を設けることで２次、３次の漏れ光を防ぎ、コントラスト低下を防止することができる。
また、遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることで、入射する光は遮光部に入射しないよう遮光部手前で集光され、遮光部での吸収、または反射の影響をうける光が少なくなるため、光利用効率を向上することができる。
また請求項５では、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示するので、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。
また請求項６では、投射レンズの焦点位置に画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部を設けることで、更にコントラストの良い画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光偏向素子の構成例及び偏向動作を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図８】本発明の第７の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図９】本発明の第８の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成図である。
【図１１】本発明の見かけ上の画素増倍効果を説明する図である。
【図１２】本発明の光偏向素子の配置の概略を示す図である。
【図１３】本発明の加工した鋸歯形状の図である。
【図１４】本発明の光偏向動作観察イメージを表す図である。
【符号の説明】
１３ 鋸歯形状透明基板、１４ 透明電極、１５ 液晶層、１６ 遮光部、１７ 透明電極、１８ 透明基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、光偏向素子及び画像表示装置に関し、さらに詳しくは、光の偏向を用いる光学素子及び該光学素子を利用した画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光の非干渉性、並列性を利用して光ビームの空間接続を実現するために、光のスイッチングは重要な基本技術の一つである。この光スイッチングに要求される機能としては、信号光の透過、遮断を制御するシャッタ機能とともに、光の進行方向を制御する光偏向技術、即ち光路変換機能が挙げられる。ここで、光偏向技術としては、音響光学的手段によるもの、電気光学効果によるものなどがある。例えば音響光学偏向は、超音波ひずみによる物質の屈折率変化を用いた効果を利用したものである。一例を示すと、ＬｉＮｂＯ３などの超音波媒体に超音波トランスデューサを接着あるいは作り付け、該超音波媒体に超音波を伝搬させ、この超音波による歪を介して媒体の屈折率が媒体中で周期的に起こり、一種の回折格子が形成されることにより、入射光が回折され出射光の出力角が制御できる。
しかし、音響光学偏向は、高い偏向効果、比較的速い偏向速度が得られるという利点を有する反面、偏向角が大きく取れない、高い駆動電圧が必要、２次元化が困難でマトリクス駆動が難しい等の欠点があった。
また、電気光学偏向は光偏向素子として、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ）、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、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、ＳｒＴｉＯ３、ＣＳ２、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が知られている（青木昌治編；「オプトエレクトロニックデバイス」、昭晃堂、参照）。しかし、これらは、十分大きな光偏向量を得るために光路長を長くする必要があり、また、素子材料が高価であるため用途が制限されている。また一方で、液晶材料を用いた光偏向素子も各種提案されており、公開された従来例として、例えば、特開平６−１８９４０号公報による発明では、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について開示されている。それによると、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、及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するものである。
【０００３】
また、特開平９−１３３９０４号公報による発明では、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について開示されている。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相の強誘電性液晶を封入し、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。
他に光偏向素子を用いた例では、特開平５−２０４００１号公報に低電圧で駆動でき２次元化、小型化を目的に光偏向装置について開示されている。これによると、一対の透明基板間に複屈折性を有する液晶を保持しており、該透明基板の一方に鋸歯状格子が形成されている。保持されている液晶は鋸歯状格子の刻線方向にホモジニアス配向しており、液晶の長軸あるいは短軸のいずれかの屈折率は鋸歯状格子を形成する材料の屈折率と一致している。入射光は偏向回転装置の制御に応じて偏光方向が９０°回転でき、入射光の偏光状態に応じて出射光の方向を切り替えることが可能である。また、類似した構成で特開平９−１３３９３１号公報による発明では、基板の一方の面に鋸歯状格子が形成されている２枚の透明基板を有し、それら鋸歯状格子は各々反対方向を向き、同一形状、同一の屈折率をもっている光偏向装置などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報による発明においては、光が偏向する原理として主に液晶材料の複屈折性、入射光に対するセル基板の傾斜に基づいている。そのため、鋸歯状格子を形成している場合、鋸歯形状によって光偏向の方向に問題が生じる場合がある。例えば、鋸歯形状の頂点部が緩やかな曲面になっている場合、頂点部に入射した光は集光、または散乱してしまい、所望の光偏向の方向とは異なった方向に偏向されそれが漏れ光となっていた。また、鋸歯形状には緩やかな傾斜角と急な傾斜角の２つの傾斜角が存在する。そして急な傾斜角の角度が緩やかになるにつれて、光偏向の方向は１方向ではなく、２方向になるといった問題がある。
また、鋸歯形状を実際に形成する場合、フォトリソグラフィ、エッチング等の方法で形成することが可能であるが、光偏向の方向が１方向となるような精度の高い鋸歯形状アレイ、特にピッチの小さいもの、アレイ数の多いものを形成することは困難である。
本発明は、かかる課題に鑑み、光偏向の方向が１方向でない場合、所望の偏向方向とは異なった方向に進む漏れ光に対応した位置に遮光部を設けることによって、漏れ光を遮光し光偏向の方向を１方向にする光偏向素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、一方の基板の片面に、第一の傾斜部と第二の傾斜部とが交互に配設された鋸歯形状を備えた一対の透明基板と、該透明基板間に挟持され電圧印加条件によって配向状態が変化する液晶層と、前記一対の透明基板への電圧印加条件を制御する光偏向電圧制御手段とを備えた光偏向素子において、 前記鋸歯形状の第一の傾斜部もしくは第二の傾斜部からなる一方の傾斜部に遮光部を設け、前記光偏向電圧制御手段が前記一対の透明基板への電圧印加条件を変化させることにより、前記液晶層の配向状態を変化させて、入射光を偏向させる際に、前記遮光部にて漏れ光を遮光することを特徴とする。
入射光の入口に設けられた透明基板の鋸歯形状は、入射光から見れば、光軸に対して所定の角度で傾斜している。従って、液晶層の配向状態を入射光が偏向されるように配向した場合、夫々の界面により偏向方向が異なる。つまり、偏向される方向が２方向になり、何れか１方向の光は漏れ光となる。この漏れ光の方向にある透明電極の出射光側に、この漏れ光を遮光する遮光部を設けることにより、出射光の方向を１方向とすることができる。
かかる発明によれば、液晶層の配向状態を入射光が偏向されるように配向した場合、鋸歯形状が形成されている透明基板の光偏向方向の一方の光が遮光部により遮光されるので、漏れ光を遮光し、出射光を１方向から出射することができて、コントラストのよい画像を形成することができる。また、漏れ光となる位置の入射光を遮光することにより、偏向後の散乱光の影響を少なくして偏向方向を均一にすることができる。
【０００６】
請求項２は、前記鋸歯形状が形成されている透明基板の鋸歯部が前記液晶層を前記光出射側透明基板で狭持するためのスペーサーを兼ね、前記鋸歯形状が形成されている透明基板は前記光出射側透明基板と接触する部分を非電極部とすることを特徴とする。
対に形成された透明基板で狭持する液晶層の厚みは均一であることが好ましい。そして、この均一性を維持するために対の透明基板間にスペーサが必要となる。また、スペーサの厚さにより素子の厚さが決定される。そのため、可能な限りスペーサの厚さは薄いほど全体を薄くすることができる。そこで、透明基板の光入射側の透明基板が鋸歯形状していることを利用して、その鋸歯部の高さを利用してスペーサとして兼ねることにより、セルギャップの最小化、均一化を同時に満たすことができる。ここで注意しなければならないことは、一対の透明電極間に外部から制御電圧を印加するため、透明電極間がショートしてはならないことである。そこで、一方の透明電極の透明電極部同士が接触する部分を非電極部とすることによりこれを防ぐことができる。
かかる発明によれば、透明電極の鋸歯部の高さを利用してスペーサと兼ねることにより、セルギャップの最小化、均一化を同時に満たすことができる。
【０００７】
請求項３は、前記遮光部が絶縁材料で形成されていることを特徴とする。
透明電極のショートを避けるために、遮光部を利用してその遮光部を若干大きくして一対の透明電極間にギャップを設け、しかも、遮光部を絶縁材料とすることである。
かかる発明によれば、絶縁材の遮光部を利用してその遮光部を若干大きくして一対の透明電極間にギャップを設けることにより、鋸歯形状基板にパターニング電極を形成する必要はなく、ベタ電極でもショートしない。そのため、素子作製プロセスが比較的簡単で、歩留りよくセルギャップの最小化、均一化を同時に満たす光偏向素子を作製することができる。
請求項４は、前記遮光部が光吸収体で形成されていることを特徴とする。
遮光部が光を反射する材質からなる場合、遮光部によって漏れ光が遮光されるときに漏れ光は反射し、２次、３次の漏れ光を発生させる。
かかる発明によれば、遮光部に黒い光吸収体を設けることで２次、３次の漏れ光を防ぎ、コントラスト低下を防止することができる。
【０００８】
請求項５は、画像情報に従って光の透過または反射を選択的に制御する複数の画素が二次元配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンの光路を偏向する請求項１乃至４に記載の光偏向素子と、該光偏向素子により偏向された光画像をスクリーン上に焦点を結ぶ光学部材と、前記画像を投影するスクリーンとを備え、前記光偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示することを特徴とする。
光路偏向素子の透明電極アレイは紙面の上下方向にライン状に形成されている。画像表示素子を出射した光が紙面に左右方向の直線偏光の場合、画像表示素子の全体を紙面の左右方向に画素シフトさせることができる。このような遮光部を設けた光路偏向素子を用いることで、画面の横方向シフトすることにより、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。
かかる発明によれば、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示するので、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。
請求項６は、前記光学部材の１つが投射レンズであって、該投射レンズの焦点位置近傍に前記画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口を有する遮光部を備えたことを特徴とする。
かかる発明によれば、投射レンズの焦点位置に画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部を設けることで、更にコントラストの良い画像を表示することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
前記従来例で説明したように、鋸歯形状基板の鋸歯部の形成方法としては、ガラス基板をエッチングするか透明プラスチック材料を射出成形等により加工する方法がある。何れの形成方法にしても、正確な鋸歯形状（理想的な鋸歯形状は直角三角形）で微小な鋸歯形状アレイを形成することは難しい。また、ガラス基板をエッチングして形成する場合、形成された鋸歯形状は鋸歯エッジが曲線になったり、鋸歯をなす２つの傾斜角度の大きさが近い大きさ（鋸歯形状が二等辺三角形に近くなる）になり、このような鋸歯形状は光偏向方向を複数にしてしまう。また、鋸歯のエッジに相当する個所は液晶配向の乱れが生じやすいといった問題がある。
そのため、本発明ではこれらの問題となる部分を光が通過しないように遮光部を設けて遮光することを特徴としている。図１は、鋸歯をなす２つの傾斜角度の大きさが近い大きさとなる鋸歯状基板を用いた光偏向素子の構成例及び偏向動作を説明するための図である。前述したように液晶の配向状態によって、入射光１は直進するか偏向される。図１（ａ）の液晶分子の配向状態４は入射光１の偏光方向に対して屈折しないように配向しているため、入射光１は偏向されずそのまま直進する。また、図１（ｂ）の液晶分子の配向状態１０は入射光の偏光方向に対して屈折するように配向しているため、入射光１は偏向される。光の偏向方向は鋸歯傾斜部２に起因するので、鋸歯形状に緩やかな傾斜角の傾斜部が２箇所になる場合（鋸歯をなす２つの傾斜角の大きさに大きな差がない場合）、図１（ｂ）に示すように偏向方向が光８と光９の２方向になり１方向は漏れ光８となり、他の１方向は偏向光９となる。
【００１０】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。これは、鋸歯形状が形成されている透明基板１３と、この透明基板１３に形成された透明電極１４と、透明基板１３と対をなす透明基盤８と、これに形成された透明電極１７と、透明基板１３と透明基板１８に挟持され電圧印加条件によって配向状態が変化する液晶層１５と、前記一対の透明基板への電圧印加条件を制御する図示しない光偏向電圧制御手段と、液晶層１５から出射される光の一部を遮光する遮光部１６から構成されている。前述のように光偏向素子が偏向作用を及ぼす時、その偏向方向が１方向以上となる場合は、図２に示すように漏れ光となる光１９が出射光とならないように、漏れ光１９に対応した位置に遮光部１６を設けて遮光することで、出射側では光２０のみの偏向方向が１方向になり、入射光を均一に偏向することができるようになる。
ここで、遮光部１６の材質は光の透過を防ぐものから選ばれ、例えばＡｌ、Ｃｒ等の金属、カーボンを添加したアクリル樹脂、レジスト材料などの有機材料、あるいはカーボン単体などがある。また、遮光部１６の形成は、漏れ光に対応した遮光パータンマスクを用いてフォトリソ、スパッタリングなどにより行なうことができる。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図３が図２と異なる点は、遮光部１６の設ける位置を、図３に示すように光出射側の基板１８（液晶層を挟む基板の液晶層と反対側の面）にする点である。このことで、素子作製後でも遮光部を設けることができ、位置精度よく遮光部を形成することができる。また、プリントなどの簡単な加工工程が可能である。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図４が図２と異なる点は、光入射側の基板（鋸歯形状基板）１３に遮光部１６を設けた点である。このように偏向方向が２方向になる場合、図２、３のように液晶層１５を狭持している鋸歯形状基板１３と鋸歯形状基板と対向している対向基板１８の対向基板１８に遮光部１６を設けると、漏れ光にならない偏向光も一部遮光してしまう。さらに、偏向光は鋸歯形状の面粗さ、鋸歯頂点部などにより散乱されるため、遮光部面積を少し大きくする必要がある。しかし、図４に示すように光入射側の基板（鋸歯形状基板）１３に遮光部１６を設けることによって、漏れ光となる前の光１１（偏向前の光）を遮光できるため、鋸歯形状面１４による散乱の影響はほとんどない。よって、遮光部１６は比較的小さな遮光部面積ですみ、光利用効率の低下を抑える事ができる。
【００１１】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図５が図４と異なる点は、漏れ光を発生させる鋸歯形状基板１３の鋸歯傾斜部面１４ａに遮光部１６を設けた点である。これにより、漏れ光となる偏向光１１のみを確実に遮光できるため、光利用効率の低下を最少に抑える事ができる。
図６は、本発明の第５の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。（ａ）は光偏向素子の概略構成図であり、（ｂ）は透明電極パターン図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。この光偏向素子の構成は、鋸歯状基板１３の鋸歯部１４と対向基板１８が接しており、液晶層１５のギャップが鋸歯形状基板１３の鋸歯部の高さｈに設定される。鋸歯形状はアレイ状であるため、素子のギャップを均一化でき、かつスペーサを用いないので最小ギャップを確保できる。ここで、鋸歯形状基板１３に形成される透明電極１４は（ｂ）に示すように鋸歯形状のエッジ部２１以外に形成されるようにパターニングするため、対向電極１７とのショートの心配はない。鋸歯形状基板１３と対向基板１８が接する部分にのみ電極が形成されていなければよいので、対向基板１８にパターン電極を形成してもよい。
図７は、本発明の第６の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。（ａ）は光偏向素子の概略構成図であり、（ｂ）は透明電極図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。これは、遮光部１６が絶縁体の場合、鋸歯形状のエッジ部まで遮光することで、図７（ｂ）に示すように鋸歯形状基板１３に形成される透明電極１４はパターニングすることなしにベタ電極でよい。絶縁体よりなる遮光部としてはアクリル樹脂、レジスト材料などを用いることができる。
【００１２】
図８は、本発明の第７の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。ここで遮光部が金属などの光を反射する材質である場合、遮光部により遮光される漏れ光は反射されて２次、３次の漏れ光になる可能性がある。そのため、図８に示すように光吸収体２２よりなる遮光部を設けることによって、２次、３次の漏れ光を防ぐことができ、コントラストの低下を防止することができる。ここでいう光吸収体とは、光を完全に吸収する必要はないが、上記反射光成分による不具合を発生させない程度の光吸収性能を持っている必要がある。光吸収体としては、黒色色素の顔料を含有しているレジスト材料、染色されたゼラチンのようなもの等を用いることができる。前記レジスト材料は顔料の色素の割合を変化させることで可視光吸収率を調整することができる。そこで、顔料の色素の割合を変化させて反射光による不具合をみたところ、可視光吸収率が６０％より大きいときには、反射光による不具合がほとんど見られなくなった。つまり、光吸収体の特性としては、可視光域での光反射率が４０％以下のものであれば使用することができる。
図９は、本発明の第８の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。鋸歯状基板１３において、所定の光偏向を生じせしめる傾斜部以外の領域に光を入射させないための構造を、光偏向素子の光入射側にとることも漏れ光を抑える上で有効である。 この１つの構造としては光偏向素子の光入射側に集光素子２３を設けたものが適しており、入射光を上記傾斜部に集めることができる。図９のように光入射側にマイクロレンズ２３ａとコリメートレンズ２３ｂなどの集光および平行光学レンズアレイを設け、漏れ光となる光が集光されて遮光部での吸収、反射の影響を受ける光が少なくなるようにして光利用効率を良くすることができる。マイクロレンズ２３ａおよびコリメートレンズ２３ｂの設置は、漏れ光となる光が最小になるように設置される。例えば、遮光部間の開口部に対応して設置され、マイクロレンズ２３ａおよびコリメートレンズ２３ｂを透過した光２４が開口部に収束する特性をもつようにレンズアレイ２３のピッチは配列される。
【００１３】
次に、前記図２から図９の光偏向素子を用いた画像表示装置について詳細に説明する。図１０は、本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成図である。この画像表示装置は、ＬＥＤランプやレーザー光源、白色のランプ光源にシャッターを組合わせた光源５０と、光源からの光束を均一化する拡散板５１と、画像表示素子をクリティカル照明するコンデンサレンズ５２と、入射した均一照明光を選択的に反射または透過することにより空間光変調する透過型液晶ライトバルブ５３と、このライトバルブ５３の表示画素を縮小する縮小光学素子６１と、画像光の光路を偏向する本発明の光路偏向素子５４と、拡大してスクリーンに投射する投射レンズ５５と、拡大された投射光を表示するスクリーン５６と、光源を制御する光源駆動手段５７と、透過型液晶ライトバルブ５３を駆動制御する表示駆動手段５８と、光路偏向素子５４を駆動制御する光偏向電圧制御手段５９と、全ての制御を司る画像表示制御回路６０から構成されている。
尚、光源としては、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦ出来るものならば全て用いることができる。例えば、ＬＥＤランプやレーザー光源、白色のランプ光源にシャッターを組合わせたものなど用いることが可能である。照明装置は光源から出た光を均一に画像表示装置に照射するものであり、拡散板５１、コンデンサレンズ５２などから構成される。画像表示素子は、入射した均一照明光を選択的に反射または透過することにより空間光変調して出射するもので、透過型液晶ライトバルブ５３や、その他反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
【００１４】
次に、この概略動作について説明する。光源駆動手段５７で制御されて光源５０から放出された光は、拡散板５１により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ５２により画像表示素子をクリティカル照明する。ここでは、画像表示素子の一例として透過型液晶ライトバルブ５３を用いている。この透過型液晶ライトバルブ５３で空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ５５で拡大されスクリーン５６に投射される。縮小光学素子６１はライトバルブの表示画素を縮小するもので、マイクロレンズ、コリメートレンズなどから構成される。その縮小量は画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。ここで、透過型液晶ライトバルブ５３と縮小光学素子６１の後方に配置された光路偏向素子５４を光偏向電圧制御手段５９により印加電圧を制御することで、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。光偏向素子５４の配置位置は画像表示装置から表示される画素のデフォーカス位置に配置し、表示画像の解像度を劣化させない構成とする。図１０では、透過型液晶ライトバルブ５３と縮小光学素子６１の直後に光路偏向素子５４を設置しているが、この位置には限定されず、スクリーン５６の直前などでも良い。但し、スクリーン付近に設置する場合、光路偏向素子５４の大きさや透明電極ピッチ、遮光部ピッチなどは、その位置での画面サイズや画素サイズに応じて設定される。いずれの場合でも、シフト量は画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行う場合は画素ピッチの１／２にし、３倍の画素増倍を行う場合は画素ピッチの１／３にする。また、光路偏向電圧制御手段５９の構成によってシフト量が大きくなる場合には、シフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の１）の距離に設定しても良い。いずれの場合も、画素のシフト位置に対応したサブフィールドの画像信号で透過型液晶ライトバルブ５３を駆動し、図１１のように見かけ上の画素増倍効果が得られ、使用したライトバルブの解像度以上の高精細でコントラストの良い画像を表示することができる。
【００１５】
図１２に光偏向素子の配置の概略を示す。光偏向素子７２の鋸歯形状は紙面の上下方向にアレイ状に形成されている。画像表示素子７１を出射した光が紙面に上下方向の直線偏光の場合、画像表示素子７１の全体を紙面の左右方向に画素シフトさせることができる。このような遮光部を設けた光偏向素子７２を用いることで、画面の横方向シフトにおいて高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。また、投射レンズ５５の焦点位置に図１２に示すような画像表示素子７１からの表示画素に対応した開口をもった遮光部７７を設けることで、縮小光学素子、光偏向素子などの影響により、表示される画素の形が変形するような場合でも、画素の形を整えて表示することができ、更にコントラストの良い画像を表示できる。
【００１６】
【実施例】
以下に液晶セル作製法の実施例について説明する。
ステップ１：
石英ガラス基板上に、グレーティングマスク（大日本印刷製）を用いてフォトレジスト、ドライエッチングにより、鋸歯状アレイを加工した。加工した鋸歯形状を図１３に示す。レジスト材（東京応化製）はスピンコーターにより膜厚２μｍで形成し、フォトレジストの露光はマスク上に拡散板を設け、整合、露光量の条件を最適化して露光した。マスクは４μｍのピッチで線幅を０．５〜４μｍ（０．５μｍ間隔）に変化させたパターンが配列されており、１パターンが１つの鋸歯形状（ピッチ１１０μｍ）に対応している。
ステップ２：
大きさ４ｃｍ×５ｃｍ、厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板と大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ３ｍｍのノンアルカリガラス基板を用い、両基板の片面に透明電極としてＩＴＯ（膜厚１４００Å）を形成した。
ステップ３：
基板のＩＴＯ側にポリイミド系の配向材料（ＡＬ３０４６−Ｒ３１、ＪＳＲ社）をスピンコートし、約０．３μｍの配向膜を形成した。ガラス基板のアニール処理後、鋸歯形状に対して直角方向にラビング処理を行った。
ステップ４：
１：１００の割合で４μｍの真絲球とＵＶ硬化接着剤（３０５２ スリーボンド製）を混合したものを加工した鋸歯形状にかからないよう注意して、二枚のガラス基板の間に塗布した。上下基板を張り合わせ（電極面は対向させる）加圧した後、ＵＶを照射し空セルを作製した。
ステップ５：
ホットプレート（９０℃）上で、空セルの中に自発分極が正の強誘電液晶（ＣＳ−１０２９、チッソ社）を毛細管法により注入した。その後、ホットプレートをＯＦＦにして常温（２５℃）になるまで放置し、ＵＶ硬化接着剤で封止をして液晶セルを作製した。上下基板のラビング処理の方向は一致しているため、液晶分子は基板に対して平行で全て同じ向きに配向（ホモジニアス配向）した状態となる。
【００１７】
（比較例１）
前述した液晶セル作製法により作製したセルをサンプル１とする。
（実施例１）
前述した液晶セル作製法と同様にしてセルを作製した。セル作製後、ＩＴＯ電極の形成されている反対の面に遮光部として黒いインクを２４μｍのライン幅でプリント加工した。遮光部を設ける位置は傾斜部２に起因する漏れ光を遮光する位置にプリントした。このセルをサンプル２とする。
（実施例２）
前述した液晶セル作製法において、ＩＴＯ蒸着後、ＩＴＯ電極面側にレジスト材料（ＣＦＰＲ ＢＫ−７４８Ｓ、東京応化）をスピンコートにより塗布し、鋸歯形状に対応している１１０μｍピッチで２４μｍ幅のストライプ状の開口部をもったマスクパターンを用いて、傾斜部（２）に対応する位置へレジストを形成した。他の作製工程は同様にして、セルを作製した。レジスト材料（カラーフィルタ作成用顔料分散型ネガタイプ）には黒色色素の顔料を含有しているため、遮光作用をもっている。このセルをサンプル３とする。
（実施例３）
前述した液晶セル作製法において、鋸歯形状を加工した石英ガラス基板にＩＴＯ透明電極を形成する場合、１１０μｍピッチで３μｍ幅のストライプ状の開口部をもったマスクパターンを用いてＩＴＯ電極を形成した。ステップ４の張り合わせではスペーサとなる真絲球を用いずＵＶ硬化接着剤のみで基板を張り合わせた。その他は実施例２と同様にしてセルを作製した。このセルをサンプル４とする。
【００１８】
（実施例４）
作製した液晶セルに電圧を印加して動作させる。印加電圧はファンクションジェネレイターを用いて±１６Ｖの電圧を印加した。入力波形は矩形波とし、電圧値はテスターで確認した。セルへの入射光は１ｍｍ径のレーザー光（６３３ｎｍ）を用い、入射光は偏光板で直線偏光に変換し、セルの鋸歯形状アレイ位置へ入射させた。入射光の偏光方向は鋸歯形状と平行になるように設定した。液晶セルを動作させ、そのセルを通過する透過光をＣＣＤカメラにより観察した結果、電圧によって透過光が偏向することを確認した。しかし、偏向後の透過光はサンプル１では２つに分かれ、サンプル２、３、４では分かれなかった。よって、漏れ光に対応した遮光部をもうけることによって、偏向光の方向を均一にできることがわかる。サンプル１とサンプル２、３、４の観察結果を下表にまとめる。
サンプル２とサンプル３において、対向基板に遮光部を設置した場合と、鋸歯形状基板に遮光部を設置した場合のセル透過光の光量エネルギーを比較した結果を下表に示す。
（実施例６）
サンプル３とサンプル４のセルギャップについて、鋸歯形状周辺の１ｍｍ×１ｍｍ範囲を縦横方向で等間隔に５点づつ、顕微偏光分光光度計（オーク社）により測定した
【００１９】
（実施例７）
図１０のような画像表示装置を作製した。画像表示素子として対角０．９インチＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）のポリシリコンＴＦＴ液晶パネルを用いた。画素ピッチは縦横ともに約１８μｍである。画素の開口率は約５０％である。また、画像表示素子の光源側にマイクロレンズアレイを設けて照明光の集光率を高める構成とした。光源としては白色ランプを用い、カラーフィルタを各画素表面に設けた透過型液晶ライトバルブにより、カラー表示を行なった。また、マイクロレンズ、コリメートレンズを用いて縮小光学素子を構成し、液晶ライトバルブの直後に設置して、画素位置との位置合わせを調整した。実施例１で作製したサンプル２を２つ用い、２つの光偏向素子を光進行方向上に配設させて光偏向デバイスを構成にしたものをサンプル５とし、縮小光学素子の後に設置した。サンプル５の中間基板の厚さはシフト量が９μｍになるように調整した。また、液晶セルの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合わせて、出射面での拡散光を拡大し、表示画像を観察した結果、横方向の画素密度が二倍の高精細でコントラストのよい画像が得られた。
（実施例８）
実施例７と同様の画像表示装置の構成に、表示画素に対応した開口をもつブラックマトリックスの遮光部を設け、表示画像を観察した結果、実施例７の表示画像よりもコントラストのよい画像が得られた。
【００２０】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、液晶層の配向状態を入射光が偏向されるように配向した場合、鋸歯形状が形成されている透明基板の光偏向方向の一方の光が遮光部により遮光されるので、漏れ光を遮光し、出射光を１方向から出射することができて、コントラストのよい画像を形成することができる。また、漏れ光となる位置の入射光を遮光することにより、偏向後の散乱光の影響を少なくして偏向方向を均一にすることができる。
また遮光部を出射側の透明基板と液晶が接する面に設けるので、素子作製プロセスにおいて、遮光部の形成が比較的簡単で、位置精度良く遮光部を設置することができる。
また、遮光部を出射側の透明基板と液晶が接する面の裏面に設けるので、素子作製プロセスにおいて、遮光部の形成が比較的簡単で、位置精度良く遮光部を設置することができ、素子作製後でも遮光部を設けることができる。
また、透明基板の鋸歯形状の何れかの傾斜部に遮光部を設けたので、漏れ光となる偏向光のみを確実に遮光できるため、光利用効率の低下を最少に抑えることができる。
また請求項２では、透明電極の鋸歯部の高さを利用してスペーサと兼ねることにより、セルギャップの最小化、均一化を同時に満たすことができる。
また請求項３では、絶縁材の遮光部を利用してその遮光部を若干大きくして一対の透明電極間にギャップを設けることにより、鋸歯形状基板にパターニング電極を形成する必要はなく、ベタ電極でもショートしない。そのため、素子作製プロセスが比較的簡単で、歩留りよくセルギャップの最小化、均一化を同時に満たす光偏向素子を作製することができる。
【００２１】
また請求項４では、遮光部に黒い光吸収体を設けることで２次、３次の漏れ光を防ぎ、コントラスト低下を防止することができる。
また、遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることで、入射する光は遮光部に入射しないよう遮光部手前で集光され、遮光部での吸収、または反射の影響をうける光が少なくなるため、光利用効率を向上することができる。
また請求項５では、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示するので、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。
また請求項６では、投射レンズの焦点位置に画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部を設けることで、更にコントラストの良い画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光偏向素子の構成例及び偏向動作を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図８】本発明の第７の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図９】本発明の第８の実施形態に係る光偏向素子の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成図である。
【図１１】本発明の見かけ上の画素増倍効果を説明する図である。
【図１２】本発明の光偏向素子の配置の概略を示す図である。
【図１３】本発明の加工した鋸歯形状の図である。
【図１４】本発明の光偏向動作観察イメージを表す図である。
【符号の説明】
１３ 鋸歯形状透明基板、１４ 透明電極、１５ 液晶層、１６ 遮光部、１７ 透明電極、１８ 透明基板
Claims (6)
- 一方の基板の片面に、第一の傾斜部と第二の傾斜部とが交互に配設された鋸歯形状を備えた一対の透明基板と、
該透明基板間に挟持され電圧印加条件によって配向状態が変化する液晶層と、
前記一対の透明基板への電圧印加条件を制御する光偏向電圧制御手段とを備えた光偏向素子において、
前記鋸歯形状の第一の傾斜部もしくは第二の傾斜部からなる一方の傾斜部に遮光部を設け、
前記光偏向電圧制御手段が前記一対の透明基板への電圧印加条件を変化させることにより、前記液晶層の配向状態を変化させて、入射光を偏向させる際に、
前記遮光部にて漏れ光を遮光することを特徴とする光偏向素子。 - 前記鋸歯形状が形成されている透明基板の鋸歯部が前記液晶層を前記光出射側透明基板で狭持するためのスペーサーを兼ね、前記鋸歯形状が形成されている透明基板は前記光出射側透明基板と接触する部分を非電極部とすることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
- 前記遮光部が絶縁材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
- 前記遮光部が光吸収体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
- 画像情報に従って光の透過または反射を選択的に制御する複数の画素が二次元配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンの光路を偏向する請求項１乃至４に記載の光偏向素子と、該光偏向素子により偏向された光画像をスクリーン上に焦点を結ぶ光学部材と、前記画像を投影するスクリーンとを備え、
前記光偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示することを特徴とする画像表示装置。 - 前記光学部材の１つが投射レンズであって、該投射レンズの焦点位置近傍に前記画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口を有する遮光部を備えたことを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
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