JP4060091B2

JP4060091B2 - 光偏向素子及び画像表示装置

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Publication number: JP4060091B2
Application number: JP2002041112A
Authority: JP
Inventors: 才明鴇田; 浩之杉本; 恵朗二村; ゆみ松木; 正典小林; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP2003241163A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気信号により光の方向を変える光偏向素子、及び、この光偏向素子を利用した画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような光偏向素子は、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するか、ある角度をもって回転させるか、あるいは、その両者を組合せて光路を切り換えるための光学素子である。
【０００３】
液晶材料を用いた光偏向素子としては、従来、次のようなものが提案されている。
【０００４】
まず、特開平６−１８９４０号公報には、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が提案されている。
【０００５】
また、ピクセルシフト素子としては、特許第２９３９８２６号公報、特開平６−３２４３２０号公報、特開２０００−１９３９２５公報に開示の技術が知られている。
【０００６】
ここでいうピクセルシフト素子とは、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列された画像表示素子と、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素子とを有し、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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置において、光偏向素子として使用されるデバイスである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のピクセルシフト素子では、構成が複雑であるために、製造コストが高く、装置が大型化してしまい、また、光量損失、光学ノイズが多いという不具合があることに鑑み、本出願人は、これらの不具合を解決し、簡易な構成で、製造コストが低く、装置を小型化でき、また、光量損失、光学ノイズが少ない光偏向素子を提案している。
【０００８】
すなわち、特願２００１−１４３２１（平成１３年１月２３日出願、本出願時において未出願公開）では、透明な一対の基板と、この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相よりなる液晶層と、この液晶に電界を加える為の電極とを備えている光偏向素子を提案している。
【０００９】
また、特願２００１−２８７９０７（平成１３年９月２０日出願、本出願時において未出願公開）では、このような光偏向素子において、所望の光路シフト方向に対して略平行に配置された複数本の電極ライン群を有し、ある時刻における各電極ラインに印加する電圧値を段階的に異なる値に設定する光偏向素子を提案している。
【００１０】
しかしながら、特願２００１−２８７９０７の明細書に開示の技術においては、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層を用いているため、液晶層が充填されている一対の基板の板面と垂直の方向から電界をかけることができず、必ず基板の板面方向から電界をかけなければならない。
【００１１】
そのため、基板の全面に渡って均一な横電界を発生させようとすると、印加する電圧の最大値と最小値との差は極めて大きな値とならざるをえない。例えば、特願２００１−２８７９０７の明細書において、発明の実施の形態として、２ｍｍの間隔に２００Ｖの電圧を印加する例が開示されているが、素子寸法として、仮にこの間隔を４０ｍｍとしたときには４０００Ｖの電位差が必要になることになる。このような高電位差を得るためには電源に負荷がかかるばかりでなく、これを高速でスイッチングした場合には、周辺への電磁ノイズの影響も無視できなくなるという不具合がある。
【００１２】
この発明の目的は、基板の板面方向に電界を加えるために必要な駆動電圧を抑制し、電源の負荷を軽減し、周辺への電磁ノイズの影響も低減することである。
【００１３】
この発明の別の目的は、駆動電圧の抑制を簡易な手段で実現し、かつ、光偏向素子を透過する光の損失を低減することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、一対の透明な基板と、この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相からなる液晶層と、この液晶層に対し前記基板の板面方向に電界を加えて液晶層を透過する光の光路を偏向する電極と、を備え、前記液晶層は、前記電界の方向に複数に分割されていて、前記電極は、この液晶層の各分割部分に個別に電界を加える光偏向素子において、前記液晶層は、自発分極の極性の異なる２種類の液晶が前記各分割部分の境界部で前記電界方向に交互に現れるものであり、前記電極は、前記各分割部分の境界部と前記液晶層の前記電界方向の両端部とにそれぞれ設けられていることを特徴とする光偏向素子である。
【００１５】
したがって、液晶層は電界の方向に複数に分割されていて、この液晶層の各分割部分に個別に電界を加えるので、基板の板面方向に電界を加えるために必要な駆動電圧を抑制することができ、電源の負荷を軽減し、周辺への電磁ノイズの影響も低減することができる。
また、液晶の分割方向に並ぶ各電極に交互に極性の異なる電圧を印加するだけで、液晶層の各分割部分の電界方向も液晶自発分極の極性に対応して交互に入れ替わるので、駆動電圧の抑制が簡易な手段で実現でき、また、各分割部分の境界部を狭くして、光偏向素子を透過する光の損失を低減することができる。
【００１６】
なお、各分割部分の液晶は全て同種のものを使用する必要はなく、自発分極の極性の異なる２種類以上の液晶を用いて、各分割部分で液晶の種類が異なるようにしてもよい。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記一対の基板は、各液晶層の分割部分において同一の一対の基板である。
【００１８】
したがって、光偏向素子の構成を簡易にすることができる。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記一対の基板の少なくとも一方の前記液晶層側の表面には、前記液晶層の各分割部分の境界部をなす前記基板と一体成形された凸部が形成されている。
【００２２】
したがって、液晶層の各分割部分の境界部を形成するためにフォトリソグラフィー技術を採用することができるので、境界部に極めてギャップ精度のよいスペーサを兼用させることができ、また、境界部の幅を充分に狭く形成できるので、光偏向素子を透過する光の損失を低減することができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記一対の基板の少なくとも一方の前記液晶層側の表面には、前記液晶層の各分割部分の境界部をなす前記基板上に光硬化樹脂材料で形成された凸部が設けられている。
【００２４】
したがって、液晶層の各分割部分の境界部形成に、基板のエッチングの工程を必要としないため、製造コストを低減することができる。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記電極は、前記各分割部分の境界部と前記液晶層の前記電界方向の両端部とにそれぞれ介装されていて、前記境界部では前記凸部の少なくとも一部を形成している。
【００２６】
したがって、電極と境界部とを別々に形成する場合に比べて、工程数を減少させて、製造コストを低減することができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、隣り合う前記電極間の前記液晶層をそれぞれ複数に分割する位置に、液晶層ごとに１又は複数本の電極がさらに形成されている。
【００２８】
したがって、液晶層の各分割部分をさらに複数に分割する位置に設けられている１又は複数本の電極に適切な電圧を印加することにより、液晶層に加えられる電界の分布を均一にすることができる。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかの一に記載の発明において、前記液晶層は、コーン角が略等しくなる温度域を有している２種類の液晶を分割部分ごとに交互に配置してなる。
【００３０】
したがって、２種類の液晶層でそれぞれ逆方向の電界が加えられても、ほぼ同方向に液晶分子の方向をそろえることができるので、良好な光偏向を行うことができる。
【００３１】
請求項８に記載の発明は、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、この画像表示素子と同期し、前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項１〜７のいずれかの一に記載の光路偏向素子と、を備えている画像表示装置である。
【００３２】
したがって、請求項１〜７のいずれかの一に記載の発明と同様の作用、効果を奏する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施の形態である画像表示装置の概要を示す概念図である。図１において、符号１は、照明用の光源であり、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ、ＯＦＦできるものであるならば、いかなる種類や型の光源であっても利用することができる。たとえば、ＬＥＤランプやレーザ光源、あるいは、白色のランプ光源などを２次元アレイ状に配列して、かかる光源に対して高速動作するシャッタを組合せたものなどを照明用の光源として用いることができる。
【００３４】
符号２は、光源から出た光を均一に画像表示素子３に照射させるための照明装置であり、拡散板２ａ、コンデンサレンズ２ｂなどから構成される。
【００３５】
符号３は、照明装置２から入射した均一の照明光を、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに、画像情報に基づいて空間光変調して、画像光として出射する画像表示素子である。画像表示素子３としては、透過型液晶ライトバルブ、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。
【００３６】
符号４は、前記画像サブフィールドごとに、画像表示素子３から出射される画像光の光路を偏向して、偏向画像光として出射する光偏向素子である。該光偏向素子４により、画像サブフィールドごとの光路の偏向量に応じて、スクリーン６上に投射される画像表示位置がずらされる状態となる画像パターンを表示させることが可能となり、画像表示素子３の実際の画素数を見かけ上増倍した画素数として、画像表示させることができる。
【００３７】
符号５，６は、画像表示素子３に表示された画像パターンを観察するための光学部材であり、符号５は投射レンズ、符号６はスクリーンである。さらに、符号７は光源１を駆動するための光源駆動手段であり、符号８は画像表示素子３を駆動するための表示駆動手段であり、符号９は光偏向素子４を駆動するための光偏向駆動手段である。また、符号１０は、光源駆動回路７、表示駆動回路８、光偏向駆動回路９などを含め画像表示装置の全体を制御するための画像表示制御回路である。
【００３８】
次に、図１に示す画像表示装置の基本的な動作について説明する。光源駆動回路７で制御されて光源１から放射された光は、拡散板１２ａにより均一化された照明光となり、コンデンサレンズ２ｂにより、光源駆動回路７と同期して動作する表示駆動回路８により制御されている画像表示素子３をクリティカルに照明する。ここでは、画像表示素子３の例として、透過型液晶パネル、すなわち、透過型液晶ライトバルブを用いている。透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３により空間光変調された照明光は、画像光として光偏向素子４に入射され、光偏向素子４から出射された出射光は、偏向画像光として、投射レンズ５で拡大された後、スクリーン６に投射される。すなわち、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３の画像光の出射側に配置されている光偏向素子４によって、画像光は、光偏向駆動回路９からの駆動信号に応じて、画素の配列方向に任意の距離だけシフト（偏向）された偏向画像光として出射されて、投射レンズ５を介して、スクリーン６上に投射される。
【００３９】
なお、図１においては、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３の直後に、光偏向素子４を配置しているが、光偏向素子４の配置位置はかかる場合に限定されるものではなく、スクリーン６の直前などに配置することとしても良い。ただし、スクリーン６付近に配置する場合、光偏向素子４を形成する光偏向素子の大きさや、更には、光偏向素子を形成する透明電極の配設ピッチなどを、光偏向素子４の配置位置における画面サイズや画素サイズに応じて設定することが必要になる。
【００４０】
しかし、いかなる配置位置に光偏向素子４を配置する場合であっても、前記偏向画像光の光路のシフト（偏向）量は、画素ピッチの整数分の１であることが望ましい。すなわち、画素の配列方向に対して２倍の画素増倍を行なう場合は、偏向画像光の光路のシフト量は、画素ピッチの１／２とし、配列方向に対して３倍の画素増倍を行なう場合は、画素ピッチの１／３とすることが望ましい。また、光偏向素子４の構成によって、偏向画像光の光路のシフト量が画素ピッチよりも大きくなる場合には、光路の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よい。
【００４１】
この光偏向素子４を画素配列方向の縦横２次元に用いることにより、例えば２倍の画像増倍を行なう光偏向素子を２枚用いることにより、図２に示すように、見かけ上の画素４倍の効果が得られ、使用した透過型液晶ライトバルブの解像度以上の高精細な画像を表示することができる。また、光偏向素子４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である画像表示素子３を駆動する。
【００４２】
なお、図１では、単板の透過型液晶ライトバルブと単色ＬＥＤランプを用いた単色の画像表示装置を示したが、３原色の光源１と、照明装置２と、３枚の画像表示素子３とを用いて、３原色の画像を混合してフルカラー画像を表示させることもできる。また、単板の画像表示素子３を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式でもフルカラー画像を表示することができる。この場合、三色の光源１からの光路をクロスプリズムで混合して照明しても良いし、白色ランプ光源１と回転カラーフィルターの組合せで、時間順次の三原色光を生成してもよい。
【００４３】
以下では、図１に示す画像表示装置などに適用する光偏向素子４等について詳細に説明する。
【００４４】
図３は、光偏向素子４の一構成例の斜視図である。図３において、１３ａ，１３ｂ，１３ｃはそれぞれガラスなどで構成された一対の透明な基板である。この一対の基板１３ａ，１３ｂ，１３ｃそれぞれの少なくとも片側には、内側面に配向膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃが形成されており、この配向膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃと他方の基板１３ａ，１３ｂ，１３ｃ（又は、他方の配向膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）との間には、キラルスメクチックＣ相の、例えば、強誘電液晶からなる液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃが充填されている。この液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの自発分極は、液晶層１１ａと１１ｃとが同極性（マイナス）であり、液晶層１１ｂが液晶層１１ａ及び１１ｃと逆極性（プラス）となるように設定されている。
【００４５】
光偏向素子４には、基板１３ａ，１３ｂ，１３ｃの面方向に電界が発生するように電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが配置される。各電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、いずれも多数本のライン状の電極が並列した構成（ライン電極）であり、本例の場合、各液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの境界部にそれぞれ電極１４ｂ，１４ｃが、また、液晶層の両端部にそれぞれ電極１４ａ，１４ｄが設けられている。すなわち、電極１４ａ，１４ｂは強誘電液晶層１１ａ及び基板１３ａを基板１３ａの面方向から挟み、電極１４ｂ，１４ｃは強誘電液晶層１１ｂ及び基板１３ｂを基板１３ｂの面方向から挟み、電極１４ｃ，１４ｄは強誘電液晶層１１ｃ及び基板１３ｃを基板１３ｃの面方向から挟むように、それぞれ配置される。
【００４６】
これらの電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄには、光路偏向駆動回路９により電圧が印加される。そして、電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの電位は、電極１４ａ，１４ｂ間、電極１４ｂ，１４ｃ間、電極１４ｃ，１４ｄ間の各液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの極性に対して、それぞれ一定方向に電界が向くように決定されている。この例では、液晶層１１ａと１１ｃとが同極性（マイナス）であり、液晶層１１ｂが液晶層１１ａ及び１１ｃと逆極性（プラス）となるように設定されているので、例えば、電極１４ａ，１４ｃに同電位（＋Ｖボルト）を印加し、電極１４ｂ、１４ｄには、これと絶対値が等しく極性の異なる電圧（＋Ｖボルト）を印加することができる（図４（ａ））。これによって、液晶層１１ａと１１ｃにはほぼ同等の電界がかけられ、液晶層１１ｂにはこれと反対方向の電界がかけられる。
【００４７】
また、画像表示制御回路１０による光路偏向駆動回路９の制御により、所定時間毎に各液晶層１１ａ〜１１ｃへの電界の印加方向を反転させるようにすれば、図５（ａ）に示すように、２方向の光シフトを行なうことが可能となる（図５（ａ）において、矢印ａは光シフトがないときの光の進行方向、矢印ｂ，ｂ´は２方向の光シフトのそれぞれの光の進行方向）。
【００４８】
この際、図6に示すように、印加電圧を単純に逆転させることで電界方向を反転させることができ（図６中の電位を示す実線から破線に、あるいは、破線から実線に切り換える）、液晶分子スイッチング及び光シフト方向反転が容易に行なえる。また、印加電圧の極性を反転させることで、液晶分子を電気的に中和させることが可能となるため、いわゆる焼付き現象を防ぐ効果もある。なお、図４，図６において、電位を示す実線と破線が直線とはならないのは、液晶を挟む電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが理想的な面積無限大の平行平板ではないからである。
【００４９】
ところで、スメクチック液晶は、液晶分子の長軸方向が層状に配列してなる液晶分子であり、この層の法線方向（層法線方向）と液晶分子長軸方向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キラルスメクチックＣ相と呼んでいる。
【００５０】
キラルスメクチックＣ相強誘電液晶は、一般的に外部電界が働かない状態において各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相反強誘電性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最配列することで，光学特性が制御される。この光偏向素子４では、強誘電性液晶を例として説明を行なうが、反強誘電性液晶も適用することができる。
【００５１】
キラルスメクチックＣ相強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部などよりなる。主鎖構造としてはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレンなどが利用可能である。スペーサは、分子回転を担う骨格、結合部、キラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には、−ＣＯＯ−結合等が選ばれる。
【００５２】
ホメオトロピック配向のための配向法としては、従来から行われている方法を適用することができる。すなわち、１．ずり応力法、２．磁場配向法、３．温度勾配法、４．ＳｉＯ斜法蒸着法、５．光配向法等を用いることができる（その詳細については、例えば、“竹添、福田著「強誘電性液晶の構造と物性」コロナ社刊、p.235”を参照）。
【００５３】
また、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きわめて高速な応答性を有しており、サブｍｓの速度でのスイッチングが可能であるという特徴がある。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液晶に比べ、ダイレクタ方向制御が容易であり、扱いやすい。
【００５４】
以下、図１に示す光偏向素子４の動作を、図７を参照して説明する。図７は、図１の液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの液晶配向を模式的に示したものである。なお、配向膜１２ａ〜１２ｃや基板１３ａ，１３ｂ，１３ｃは図示を省略し、電極１４ａ〜１４ｄと液晶層１１ａ〜１１ｃのみを示している。電極１４ａ〜１４ｄからは、前記したとおり、隣り合う液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ毎に異なる方向の電界が発生しており、これを矢印１５ａ，１５ｂ，１５ｃで示している。液晶層１１ａ，１１ｃは負の自発分極を有する液晶からなり、液晶層１１ｂは正の自発分極を有する液晶からなる。図７に示すように、自発分極の方向は電界方向に依存しており、液晶分子２１はいずれの場合も同じ方向（図７では右上がりの方向）に傾斜している。前記のように電界を反転させれば、液晶分子の方向も反対（右下がりの方向）を向く。
【００５５】
入射光は直線偏光であり、偏向方向は図７中上下の矢印で示すとおり上下方向であって（以後同様に偏光方向については上下あるいは左右の矢印で入射光に重ねて示す）、その偏光方向は電界方向に略直交するように設定される。図７において、直交座標系を図示するように、入射光の方向をＸ方向、電界をかける方向をＹ方向、偏向方向をＺ方向としたとき（なお、図３、図５においても同様）、液晶層１１ａ〜１１ｃ内のＸＺ断面において、図７に示すとおり液晶分子２１は、その電界方向によって，第1の配向状態または第2の配向状態のいずれかの状態をとって分布する。θは液晶回転軸からの液晶分子２１の傾き角である（以後、単に傾き角と呼ぶ）。液晶の自発分極Ｐｓが負であり、Ｙ軸正方向（図７における紙面上向き）に電界Ｅがかかっているものとすると、液晶ダイレクタは液晶回転軸が略Ｘ方向であるため、ＸＺ面内において図７中右上がり（第１の配向状態）に向く。液晶の自発分極Ｐｓが正であり、Ｙ軸負方向(図７における紙面下向き)に電界Ｅがかかっているときも、同様に、液晶ダイレクタは液晶回転軸が略Ｘ方向であるため，ＸＺ面内において図７中右上がり（第１の配向状態）になる。
【００５６】
以上のように異なる極性の液晶とこれを駆動する電界を制御することで、液晶分子を同方向に揃えることが可能となり、素子全域に渡り均一な光路シフトが実現する。
【００５７】
図７の構成におけるＹ方向の位置と電位の大きさとの関係を、図４（ａ）に示す。液晶層を従来と同様の単一の層とし（これを液晶層１１ｄとする）、これに図２の場合と同等の電界を印加しようとする場合は、図４（ｂ）に示すように、３倍の電圧を加えなければならないため、本実施の形態における光偏向素子４の場合は、低電圧化の効果はきわめて大きい。
【００５８】
次に、光偏向素子４に光を透過させる場合の光シフトについて説明する。液晶分子２１の長軸方向の屈折率をｎe、短軸方向の屈折率をｎoとすると、入射光として、偏光方向をＹ軸方向にもつ直線偏向を選び、Ｘ軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶内で常光として屈折率ｎoを受け直進し図中a方向に進む。すなわち光偏向は受けない。
【００５９】
一方、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶ダイレクタ方向及び屈折率ｎo，ｎeの両者から求められる。より詳しくは、屈折率ｎo，ｎeを主軸にもつ屈折率楕円体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、ここでは詳細は省略する。光は屈折率ｎo，ｎe及びダイレクタ方向θに対応した偏向を受け、図５中の矢印ｂ（第１の配向状態の場合）に示す方向にシフトする。今、液晶層１１ａ〜１１ｃの厚み（ギャップ）をｄとするとき、シフト量Ｓは以下の式であらわされる（これについては、例えば、“「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、p.198”を参照）。
【００６０】

電界方向を反転させたとき、液晶ダイレクタは図５においてＸ軸を中心とした線対称の配置（第２の配向状態）を取り、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は図５中で矢印ｂ´に示すとおりとなる。従って、この直線偏光に対して、電界方向を制御することで、矢印ｂと矢印ｂ´の２位置の距離、すなわち、２Ｓ分の光偏向が可能となる。液晶材料の代表的物性値（ｎo＝1.6，ｎe＝1.8）に対して得られる光偏向量について、光偏向量Ｓを計算した結果を図８に示す。図８のグラフでは、液晶膜厚ごとに液晶の配向角と光軸のシフト量との関係を示している。なお、図８において、１００〜５μｍで示しているのは液晶の膜厚である。図８においては、θ＝４５°付近が最も光偏向量が大きい。例えば、液晶ダイレクタの傾き角（コーン角／２）が２２．５°のとき、“２・Ｓ＝５（μｍ）”の偏向量を得るためには、液晶の厚みを32μｍ厚に設定すればよいことがわかる。
【００６１】
液晶層１１ａ〜１１ｃとして使用する液晶の種類は、極性の異なる液晶を組合せるのであれば様々なものを用いることができるが、図８及び図６に示すように液晶層１１ａ,１３ａに加わる電界の大きさ、方向がほぼ同じであれば、これらの位置に充填する液晶としては同一のものを用いるのが望ましい。液晶層１１ｂには、液晶層１１ａ,１１ｃとは極性が異なる液晶を用いる必要があるが、さらに、光シフト量を均一化するため、液晶層１１ａ,１１ｃに用いる液晶とコーン角が同等である液晶を用いることが望ましい。
【００６２】
この場合に、極性の異なる２種類の液晶を交互に設けることで、大面積の光偏向素子を、製造工程を煩雑にすることなく製造することが可能となる。
【００６３】
液晶分子２１の傾き角が22.5°、すなわち、コーン角が45°付近の強誘電性液晶材料として、自発分極が正であるものとしては、FELIX-018/000（Clariant社製）、負のものとしてはCS1029（チッソ社製）などがあり、例えば液晶層１１ａ,１３ａに後者を、１２ａに前者を用いることができる。
【００６４】
なお、図３に示す構成では、液晶は３つに分割されているが、分割数はこの限りではないことはいうまでもない。分割数を多くしたときは電極間幅を小さくできるので、より低電圧化が図れる。ただし、境界部面積（電極などが占める面積）が増大するため、光利用効率は低下する。
【００６５】
図３以下の説明では、便宜上、液晶層が１１ａ，１１ｂ，１１ｃの３つに分割されている例で説明したが、実際は、図３を参照して説明した極性の異なる液晶からなる液晶層１１ａと１１ｂとが電界方向に連続的に現れるような構成とすることができる。すなわち、図９に示すように、極性の異なる２種の液晶でそれぞれ構成された各液晶層４１，４２が電界の方向に交互に現れるようにストライプ状に配列し、その各液晶層４１，４２の電界方向の間隔を、例えば、５Ｖの電圧印加に対して駆動可能となるように所定の幅に設定することで、ＴＴＬ（Transistor Transistor Logic）レベルでの制御が可能となる。例えば、従来のように極性が一様な液晶からなる液晶層の４０ｍｍの幅を駆動するのに、４ｋＶの駆動電圧が必要であったとすると、例えば、各液晶層４１，４２の電界方向の間隔を５０μｍ程度とすれば、ＴＴＬレベルでの駆動が可能となる。
【００６６】
なお、図３の光偏向素子４の作製は、各液晶層１１ａ〜１１ｃを個別に作製した後、電極１４ａ〜１４ｄを介してこれらを貼り合わせることで、実現できる。
【００６７】
本実施の形態の画像表示装置では、以上説明した光偏向素子４を使用する。そして、光偏向素子４を通過する光がケラレることなく光偏向素子４を通過するためには、光偏向素子４としては、画像表示素子３の面積、画像表示素子３からの距離、光の広がり角から求められるサイズ以上の大きさが必要である。仮に、このサイズを４０ｍｍとし、光偏向素子４を駆動するための電界が１００Ｖ／ｍｍであるとすると、従来構成の光偏向素子では４０００Ｖの電位差が必要であったが、本実施の形態の光偏向素子を用いることで、４０００Ｖ／（液晶層の分割数）に低減することができる。例えば、図３、図１０〜図１３に示すように３分割すると、１３３３Ｖに低減することができる。従って、画像表示装置内の電源への負荷を低減すると同時に、電圧スイッチング時の電磁ノイズを低減させることができるため、周辺機器への影響を低減させることが可能となる。
【００６８】
以上説明した画像表示装置によれば、その光偏向素子４において、液晶層は、液晶層１１ａ〜１１ｃに電界の方向に複数に分割されていて、この各分割部分１１ａ〜１１ｃに、電極１４ａ〜１４ｄにより個別に電界を加えるので、基板１３ａ〜１３ｃの板面方向に電界を加えるために必要な駆動電圧を抑制することができ、電源の負荷を軽減し、周辺への電磁ノイズの影響も低減することができる。
【００６９】
この場合に、各液晶層１１ａ〜１１ｃは、同種の液晶を用いてもよいが、これだと、各液晶層１１ａ〜１１ｃの境界部には、その両側の液晶層にそれぞれ対応した２枚の電極を用意し、しかも、この２枚の電極に異なる電圧を印加しなければならないので、２枚の電極の間に絶縁性のスペーサなどを介装しなければならず、構成が複雑になって、製造コストが増大するのみならず、各液晶層１１ａ〜１１ｃの境界部の幅が厚くなって、光偏向素子４を透過する光の損失が増大する。
【００７０】
そこで、前述のように、自発極性の異なる液晶からなる液晶層１１ａ〜１１ｃを電界の方向に交互に配置するようにすれば、液晶層１１ａ〜１１ｃの分割方向に並ぶ各電極１４ａ〜１４ｄに交互に極性の異なる電圧（＋Ｖボルト、−Ｖボルト、＋Ｖボルト、−Ｖボルト、…）を印加するだけで、液晶層の各分割部分１１ａ〜１１ｃの電界方向も、液晶の自発分極の極性に対応して交互に入れ替わるので、駆動電圧の抑制が簡易な手段で実現できる。また、各分割部分１１ａ〜１１ｃの境界部を狭くして、光偏向素子４を透過する光の損失を低減することができる。
【００７１】
以下では、図１〜図９を参照して説明した光偏向素子４の各種変形例等について説明する。以下の説明で、図１〜図９と同一の部材等には同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。
【００７２】
図１０は、光偏向素子４の別構成例の断面図である。図３の構成との相違点は、２種類以上の液晶層が、同一の基板１３，１３間に挟まれ、２次元的に配列されてなることである（これに伴い、配向膜も１枚の配向膜１２を使用する）。よって、図３の構成のように、液晶層１１ａ〜１１ｃごとに別体の基板１３ａ〜１３ｃを用いる構成ではないので、製造工程を低減でき、また、各液晶層１１ａ〜１１ｃの境界部をより狭くすることができるので、光利用効率の低下を抑えられる利点がある。
【００７３】
また、少なくとも一方の基板１３の表面には、液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ間の境界を形成するための凸部５１が形成されている。この凸部５１は、基板１３がガラス材料である場合は、基板１３の表面を直接フォトリソグラフィー、熱転写等の技術によって加工することで形成でき、プラスチック材料の場合は、これらの技術に加え、射出成形する際のスタンパ表面に所定形状を形成しておき、これを転写することによって形成することもできる。凸部５１の表面、及び、液晶層１１ａ，１１ｃの電界方向外側の側部には、ライン状の電極１４が形成されている。この電極１４のうち、凸部５１の表面に形成されるものは、基板１３の表面の液晶が充填される部分をマスクした状態で、凸部５１にのみ、ＩＴＯ，Ａｌなどの導電性材料をスパッタ法などで形成することで作成することができる。ＩＴＯを用いる場合は、材料が透明であるため、光利用効率の低下を抑えられ、また、周期構造にともなう回折などを抑えられる。一方、Ａｌを用いる場合は、凸部５１に入射する光を吸収するため、光偏向しない成分の光、すなわち、ノイズ光の出射を抑えることが可能となる。
【００７４】
各電極１４の電位や、電極１４間の距離Ｌは、液晶の種類毎に変化させてもよい。すなわち、各液晶層１１ａ〜１１ｃの両側の電極１４の電位と電極間距離Ｌとが、各液晶層１１ａ〜１１ｃ内における電界分布を支配的に決定するため、液晶の種類に応じて、これらの組合せを適宜定めればよい。
【００７５】
図１０に示す光偏向素子４の製作にあたっては、凸部５１を介して両基板１３を密着させ、必要ギャップを確保すると同時に、凸部５１をまたぐ液晶の流出を防ぐために、密着時（空セル作製時）に接着剤を用いて隙間を埋めるのが望ましい。両基板１３間の空セルに対して液晶を充填するには、対象となる空セル以外を封止した状態で、個別に毛管法、真空注入法などの周知の技術を用いて行なえばよい。
【００７６】
なお、マイラーフィルムなどにより、各液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間の境界部を形成することも可能であるが、凸部５１を用いる場合に比べると、各液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ間の境界の幅を狭めることはできないため、光利用効率上は望ましくない。
【００７７】
図１１は、光偏向素子４の別構成例の断面図である。図１０の構成との相違点は、境界部となる凸部５１が光硬化樹脂材料で形成されていることである。
【００７８】
光硬化樹脂材料よりなる凸部５１を形成する方法としては、例えば、一方の基板１３の表面にスピンコートなどにより光硬化樹脂の前駆体を堆積させ、これにマスク露光や紫外線描画などによりパタニングし、凸部５１を形成した後、基板１３対を貼り合わせる方法や、一方の基板１３の表面にスピンコートなどにより光硬化樹脂の前駆体を堆積させ、基板１３対を所定のギャップを保持した状態で前駆体を介して密着させ、これにレーザや電子線などにより描画することでパタニングし、凸部５１を形成する方法がある。特に、後者の場合、基板１３間を光硬化樹脂で密着できるため、液晶の流出等の不具合発生を抑える効果が大きい。電極１４の形成法としては、図１０に示す光偏向素子４の場合と同様の方法を用いることができる。
【００７９】
図１２は、光偏向素子４の別構成例の断面図である。図１０、図１１の構成との相違点は、スパッタ工程による電極１４の形成に代えて、既存の金属細線を凸部５１の内部に埋め込むことで、電極１４を形成することである。
【００８０】
その製造方法は、凸部５１の硬化前に、硬化部にライン状の電極１４となる金属細線を配置し、その後、光硬化させることで実現できる。金属細線を用いることで、スパッタ等の真空製膜工程を用いずに光偏向素子４を形成することができ、製造コストを低減することができる。
【００８１】
図１３は、光偏向素子４の別構成例の断面図である。図１１、図１２の構成との相違点は、ライン状の電極１４が、光硬化樹脂材料よりなる凸部５１と、基板１３との間に設けられ、また、ライン状の電極５２が、隣り合う電極１４，１４間の液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃをそれぞれ複数に分割する位置に、液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃごとに１又は複数本、凸部５１が形成される基板１３の液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ側に形成されていることである。
【００８２】
電極５２は、電極１４の電位を補完し、電極１４、１４間の電界を均一にさせるために設けられる。電極５２は、基板１３に、ＩＴＯ等、透明電極として形成するのが、光利用効率を低下させない点から望ましい。この場合、電極５２と液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃとの間に誘電体層を設けてもよい。
【００８３】
前述したように、図４，図６において、電位を示す実線と破線が直線とはならないのは、液晶を挟む電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが理想的な面積無限大の平行平板ではないからである。しかし、電極５２を設けて電界を調節することにより、図１４に示すように、電位を示す実線が直線となり、均一な電界が得られるようになる。
【００８４】
図１５は、前述した光偏向素子４の温度の制御を可能とする構成の概念図である。すなわち、光偏向素子４の液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの近傍の温度を検出する温度検出素子５３と、この検出温度に基づいて液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの液晶のコーン角が略等しくなる温度域に、液晶温度を保持するための温度調節装置５４とを備えている。
【００８５】
温度検出素子５３は、サーミスタ、熱電対などであり、温度制御回路５５が温度検出素子５３の検出信号に基づいて液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの温度を計算し、温度調節装置５４をフィードバック制御する。温度調節装置５４は、例えば、光偏向素子４の表面近傍に設けられたＩＴＯなどよりなる透明抵抗膜などであり、温度制御回路５５により制御される電源５６により電力を供給されてジュール熱による加熱を行なう。なお、温度調節装置５４として、透明抵抗膜などの他、ペルチェ素子等を用いた冷却源を設けてもよい。これにより、幅広い温度での制御と狙いの温度への高速な移行が可能となる。また、温度検出素子５３は、一般には透明でないため、透過光にさらされた場合、これ自体が発熱する場合があるので、遮光するのが望ましく、図１５の例では、光偏向素子４のホルダー５７で遮光を行っている。
【００８６】
ところで、液晶のコーン角は温度とともに変化し、スメクチックＣ液晶相の高温側にネマチック相がある液晶の場合、通常、相転移温度Ｔｃに近づくにつれコーン角は減少し、相転移温度Ｔｃで消失する。
【００８７】
光偏向素子４に用いる２種の液晶（ここでは、それぞれ液晶ａ，液晶ｂとする）のコーン角の温度依存性が、図１６に示すように変化する場合、光偏向素子４に適用する最適な設定温度は、図１６中にＴsetで示される点５８である。今、図８に示す光シフト特性を有する液晶材料において、2.5μｍ±10％を確保する場合を考える（厚み32μｍ）と、この範囲内に光偏向させる為に必要な液晶のコーン角（図１６では、液晶配向角×２に相当）は、下限のコーン角Ａminが20.5°、上限のコーン角Ａmaxが25.5°となり、液晶ａ，ｂともに、このコーン角を満たす温度領域、すなわち図１６のハッチング部５９内に温度を収めるように制御すればよい。
【００８８】
図１７は、光偏向素子４を駆動する光路偏向駆動回路９の回路構成例を示す回路図である。この光路偏向駆動回路９は、図１３に示す光偏向素子４用のものの構成例である。すなわち、電源６１は、＋Ｖボルト及び−Ｖボルトの電圧を出力する電源であり、＋Ｖボルトと−Ｖボルトの電圧を所定の時間幅で入れ替えて、出力端６２，６３から交互に出力する。出力端６２には液晶層１１ａの外側の電極１４と、液晶層１１ｂ，１１ｃ間の電極１４とが接続され、出力端６３には液晶層１１ａ，１１ｂ間の電極１４と、液晶層１１ｃの外側の電極１４とが接続されている。液晶層を符号１１ａ，１１ｂ，１１ｃの３つのみならず、図９に示す構成のように多数の液晶層４１，４２、…に分割する場合は、分割方向に並ぶ電極１４，１４，…を交互に出力端６２，６３に接続するようにすればよい。
【００８９】
また、この例では、各液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃを、それぞれ３つの電極５２で等間隔に４つに分割している。よって、出力端６２，６３間の電圧（２Ｖボルト）を、４つの抵抗６４で抵抗分割し、その各分圧を３つの電極５２にそれぞれ印加するようにしている。よって、ある瞬間に＋Ｖボルトが印加されている電極１４に最も近い電極５２には＋Ｖ／２ボルトが印加され、−Ｖボルトが印加されている電極１４に最も近い電極５２には−Ｖ／２ボルトが印加される。また、これらの電極１４，１４間の電極１４はＧＮＤに接続する。
【００９０】
以上の構成により、各液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃに電界を加える５つの電極（順に、電極１４、電極５２，５２，５２、電極１４）には、それぞれ、＋Ｖボルト、＋Ｖ／２ボルト、０ボルト、−Ｖ／２ボルト、−Ｖボルトと、−Ｖボルト、−Ｖ／２ボルト、０ボルト、＋Ｖ／２ボルト、＋Ｖボルトとが、所定の時間間隔で交互に印加され、図１４のような電位となる。
【００９１】
また、図３，図１０〜図１２に示す光偏向素子４のように、補助的な電極５２を設けない場合は、抵抗６４を設けずに、液晶層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの分割方向に並ぶ電極１４，１４，…に、＋Ｖボルト、−Ｖボルトの電圧を交互に印加し、これを所定の時間間隔で入れ替えるようにすればよい。
【００９２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、基板の板面方向に電界を加えるために必要な駆動電圧を抑制することができ、電源の負荷を軽減し、周辺への電磁ノイズの影響も低減することができる。また、この光偏向素子において、駆動電圧の抑制が簡易な手段で実現でき、各分割部分の境界部を狭くして、光偏向素子を透過する光の損失を低減することができる。
【００９３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、光偏向素子の構成を簡易にすることができる。
【００９５】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、境界部に極めてギャップ精度のよいスペーサを兼用させることができ、また、光偏向素子を透過する光の損失を低減することができる。
【００９６】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、光偏向素子の製造コストを低減することができる。
【００９７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、光偏向素子の製造コストを低減することができる。
【００９８】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、液晶層に加えられる電界の分布を均一にすることが可能となる。
【００９９】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかの一に記載の発明において、良好な光偏向を行うことができる。
【０１００】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかの一に記載の発明と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態である画像表示装置の全体構成の概念図である。
【図２】画像表示装置による画素シフトの説明図である。
【図３】光偏向素子の斜視図である。
【図４】光偏向素子に加えられる電界の変化のグラフである。
【図５】液晶の動作を説明する説明図である。
【図６】光偏向素子に加えられる電界の変化のグラフである。
【図７】光偏向素子の動作を説明する説明図である。
【図８】液晶の膜厚と液晶配向角に対する光軸のシフト量を示すグラフである。
【図９】自発分極方向の異なる液晶層を交互に多数配列した光偏向素子の斜視図である。
【図１０】光偏向素子の他の構成例の断面図である。
【図１１】光偏向素子の他の構成例の断面図である。
【図１２】光偏向素子の他の構成例の断面図である。
【図１３】光偏向素子の他の構成例の断面図である。
【図１４】図１３の光偏向素子に加えられる電界の変化のグラフである。
【図１５】光偏向素子の他の構成例を示す説明図である。
【図１６】図１５の光偏向素子における液晶のコーン角と温度との関係を説明するグラフである。
【図１７】光偏向素子の駆動回路の回路図である。
【符号の説明】
３画像表示素子
４光偏向素子
１１基板
１１，１１ａ〜１１ｃ液晶層
１３，１３ａ〜１３ｃ基板
１４，１４ａ〜１４ｄ電極
１５ａ〜１５ｃ電界方向
５１凸部
５２電極

Claims

一対の透明な基板と、この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相からなる液晶層と、この液晶層に対し前記基板の板面方向に電界を加えて液晶層を透過する光の光路を偏向する電極と、を備え、前記液晶層は、前記電界の方向に複数に分割されていて、前記電極は、この液晶層の各分割部分に個別に電界を加えるものである光偏向素子であって、
前記液晶層は、自発分極の極性の異なる２種類の液晶が前記各分割部分の境界部で前記電界方向に交互に現れるものであり、前記電極は、前記各分割部分の境界部と前記液晶層の前記電界方向の両端部とにそれぞれ設けられていることを特徴とする光偏向素子。
前記一対の基板は、各液晶層の分割部分において同一の一対の基板である、請求項１に記載の光偏向素子。
前記一対の基板の少なくとも一方の前記液晶層側の表面には、前記液晶層の各分割部分の境界部をなす前記基板と一体成形された凸部が形成されている、請求項１又は２に記載の光偏向素子。
前記一対の基板の少なくとも一方の前記液晶層側の表面には、前記液晶層の各分割部分の境界部をなす前記基板上に光硬化樹脂材料で形成された凸部が設けられている、請求項１又は２に記載の光偏向素子。
前記電極は、前記各分割部分の境界部と前記液晶層の前記電界方向の両端部とにそれぞれ介装されていて、前記境界部では前記凸部の少なくとも一部を形成している、請求項４に記載の光偏向素子。
隣り合う前記電極間の前記液晶層をそれぞれ複数に分割する位置に、液晶層ごとに１又は複数本の電極がさらに形成されている、請求項４に記載の光偏向素子。
前記液晶層は、コーン角が略等しくなる温度域を有している２種類の液晶を分割部分ごとに交互に配置してなる、請求項１〜６のいずれかの一に記載の光偏向素子。
画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、この画像表示素子と同期し、前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項１〜７のいずれかの一に記載の光路偏向素子と、を備えている画像表示装置。